JP7092746B2 - 酸化物焼結体、スパッタリングターゲット、酸化物半導体薄膜、薄膜トランジスタ、および電子機器 - Google Patents

酸化物焼結体、スパッタリングターゲット、酸化物半導体薄膜、薄膜トランジスタ、および電子機器 Download PDF

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Description

本発明は、ガーネット化合物、酸化物焼結体、スパッタリングターゲット、酸化物半導体薄膜、薄膜トランジスタ、電子機器、およびイメージセンサーに関する。
薄膜トランジスタに用いられるアモルファス（非晶質）酸化物半導体は、汎用のアモルファスシリコン（ａ－Ｓｉ）に比べて高いキャリヤー移動度を有し、光学バンドギャップが大きく、低温で成膜できるため、大型・高解像度・高速駆動が要求される次世代ディスプレイや、耐熱性の低い樹脂基板等への適用が期待されている。
上記酸化物半導体（膜）の形成に当たっては、スパッタリングターゲットをスパッタリングするスパッタリング法が好適に用いられている。これは、スパッタリング法で形成された薄膜が、イオンプレーティング法や真空蒸着法、電子ビーム蒸着法で形成された薄膜に比べ、膜面方向（膜面内）における成分組成や膜厚等の面内均一性に優れており、スパッタリングターゲットと同じ成分組成の薄膜を形成できるためである。
特許文献１には、Ｉｎ2Ｏ3で構成されるビックスバイト結晶相と、Ａ3Ｂ5Ｏ12結晶相（式中、Ａは、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、およびＬｕからなる群から選ばれる一以上の元素であり、Ｂは、ＡｌおよびＧａからなる群から選ばれる一以上の元素である）を含む酸化物焼結体に関する記載がある。また、酸化物半導体薄膜、薄膜トランジスタに関する記載も有る。
一方でさらなる高性能なＴＦＴへの強い要求があり、高移動度で、ＣＶＤ等での特性変化の小さい材料への要望は大きい。
酸化物半導体の材料としては、酸化亜鉛または酸化亜鉛を含む材料が知られている。電子キャリヤー濃度が１０18／ｃｍ3未満である非晶質酸化物（酸化物半導体）で形成された薄膜トランジスタが開示されている（特許文献２乃至４）。
また、酸化物半導体を光電変換素子と組み合わせた固体撮像装置やイメージセンサーについても開示されている（特許文献５）。
国際公開２０１５／０９８０６０号公報 特開２００６－１６５５２７号公報 特開２００６－１６５５２８号公報 特開２００６－１６５５２９号公報 特開２０１７－１３５４１０号公報
本発明の目的は、新たな酸化物系で構成される、酸化物焼結体、スパッタリングターゲット、薄膜トランジスタ（以下、ＴＦＴということがある）に用いたときに優れたＴＦＴ性能が発揮される酸化物半導体薄膜を提供することである。
なお、これらの課題の記載は、他の課題の存在を妨げるものではない。なお、本発明の一態様は、これらの課題の全てを解決する必要はないものとする。なお、これら以外の課題は、明細書、図面、請求項などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、図面、請求項などの記載から、これら以外の課題を抽出することが可能である。
本発明によれば、以下の酸化物焼結体、スパッタリングターゲット、酸化物半導体薄膜、薄膜トランジスタ、電子機器、ガーネット化合物、およびイメージセンサーが提供される。
Ｉｎ元素、Ｙ元素、およびＧａ元素を下記式（１－１）から（１－３）に規定する範囲の原子比
０．８０≦Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｙ＋Ｇａ）≦０．９６ ・・・（１－１）
０．０２≦Ｙ ／（Ｉｎ＋Ｙ＋Ｇａ）≦０．１０ ・・・（１－２）
０．０２≦Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｙ＋Ｇａ）≦０．１５ ・・・（１－３）
で含有し、
かつ、Ａｌ元素を下記式（１－４）に規定する範囲の原子比
０．００５≦Ａｌ／（Ｉｎ＋Ｙ＋Ｇａ＋Ａｌ）≦０．０７ ・・・（１－４）
で含有する酸化物焼結体。
（式中、Ｉｎ、Ｙ、Ｇａ、Ａｌは、それぞれ酸化物焼結体中のＩｎ元素、Ｙ元素、Ｇａ元素およびＡｌ元素の原子数を示す。）
Ｇａ元素を下記式（１－５）に規定する範囲の原子比で、
０．０２≦Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｙ＋Ｇａ）≦０．１０ ・・・（１－５）
含有する上記に記載の酸化物焼結体。
正四価以上の金属元素Ｘの酸化物を下記式（１－６）に規定する範囲の原子比で含有する上記に記載の酸化物焼結体。
０．００００５≦Ｘ／（Ｉｎ＋Ｙ＋Ｇａ＋Ａｌ＋Ｘ）≦０．００５ ・・・（１－６）
（式中、Ｘは、酸化物焼結体中のＸ元素の原子数を示す。）
Ｉｎ２Ｏ３で表されるビックスバイト結晶相と、Ｙ3Ｇａ5Ｏ12結晶相およびＹ3Ｇａ4ＡｌＯ12結晶相のいずれか一方または両方とを含む上記に記載の酸化物焼結体。
Ｉｎ元素、Ｙ元素、Ｇａ元素、Ａｌ元素、およびＯ元素を主たる構成元素とする酸化物焼結体であって、Ｉｎ2Ｏ3で表されるビックスバイト結晶相と、Ｙ3Ｇａ5Ｏ12結晶相およびＹ3Ｇａ4ＡｌＯ12結晶相のいずれか一方または両方とを含む酸化物焼結体。
Ｉｎ元素、Ｙ元素、Ｇａ元素、Ａｌ元素、正４価の金属元素およびＯ元素を主たる構成元素とする酸化物焼結体であって、Ｉｎ2Ｏ3で表されるビックスバイト結晶相と、Ｙ3Ｇａ4ＡｌＯ12結晶相を含む酸化物焼結体。
相対密度が９５％以上である上記に記載の酸化物焼結体。
バルク抵抗が３０ｍΩ・ｃｍ以下である上記に記載の酸化物焼結体。
上記に記載の酸化物焼結体と、バッキングプレートとを含むスパッタリングターゲット。
Ｉｎ元素、Ｙ元素、およびＧａ元素を下記式（１－７）から（１－９）に規定する範囲の原子比
０．８０≦Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｙ＋Ｇａ）≦０．９６ ・・・（１－７）
０．０２≦Ｙ ／（Ｉｎ＋Ｙ＋Ｇａ）≦０．１０ ・・・（１－８）
０．０２≦Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｙ＋Ｇａ）≦０．１５ ・・・（１－９）
で含有し、
かつ、Ａｌ元素を下記式（１－１０）に規定する範囲の原子比
０．００５≦Ａｌ／（Ｉｎ＋Ｙ＋Ｇａ＋Ａｌ）≦０．０７ ・・・（１－１０）
で含有する酸化物半導体薄膜。
（式中、Ｉｎ、Ｙ、Ｇａ、Ａｌは、それぞれ酸化物半導体薄膜中のＩｎ元素、Ｙ元素、Ｇａ元素およびＡｌ元素の原子数を示す。）
Ｇａ元素を下記式（１－１１）に規定する範囲の原子比で、
０．０２≦Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｙ＋Ｇａ）≦０．１０ ・・・（１－１１）
含有する上記に記載の酸化物半導体薄膜。
正四価以上の金属元素Ｘの酸化物を下記式（１－１２）に規定する範囲の原子比で含有する上記に記載の酸化物半導体薄膜。
０．００００５≦Ｘ／（Ｉｎ＋Ｙ＋Ｇａ＋Ａｌ＋Ｘ）≦０．００５ ・・・（１－１２）
（式中、Ｘは、酸化物半導体薄膜中のＸ元素の原子数を示す。）
Ｉｎ2Ｏ3で表されるビックスバイト結晶相を含む上記に記載の酸化物半導体薄膜。
前記Ｉｎ2Ｏ3で表されるビックスバイト結晶相の格子定数が１０．０８３×１０-10ｍ以下である上記に記載の酸化物半導体薄膜。
上記に記載の酸化物半導体薄膜を含む薄膜トランジスタ。
上記に記載の薄膜トランジスタを含む電子機器。
一般式（Ｉ）：
Ｌｎ３（Ｇａ５－ＸＡｌＸ）Ｏ１２ （Ｉ）
（式中、Ｌｎは、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、ＹｂおよびＬｕから選ばれた一種以上の金属元素を表す。Ｘは、０＜Ｘ＜５である。）で表されるガーネット化合物。
一般式（Ｉ）：
Ｌｎ３（Ｇａ５－ＸＡｌＸ）Ｏ１２ （Ｉ）
（式中、Ｌｎは、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、ＹｂおよびＬｕから選ばれた一種以上の金属元素を表す。Ｘは、０＜Ｘ＜５である。）で表されるガーネット化合物の格子定数が、１１．９３×１０-10ｍ以上、１２．２０×１０-10ｍ以下であることを特徴とするガーネット化合物。
Ｌｎが、Ｙｂ元素である上記に記載のガーネット化合物。
一般式（Ｉ）：
Ｌｎ３（Ｇａ５－ＸＡｌＸ）Ｏ１２ （Ｉ）
（式中、Ｌｎは、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、ＹｂおよびＬｕから選ばれた一種以上の金属元素を表す。Ｘは、０＜Ｘ＜５である。）で表されるガーネット結晶相を含む酸化物焼結体。
Ｉｎ元素、Ｇａ元素、Ａｌ元素およびＬｎ元素を含み、格子定数が、１１．９３×１０-10ｍ以上、１２．２０×１０-10ｍのガーネット結晶相を含む酸化物焼結体。
（ただし、Ｌｎは、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、ＹｂおよびＬｕから選ばれた一種以上の金属元素を表す。）
Ｌｎが、Ｙｂ元素である上記に記載のガーネット結晶相を含む酸化物焼結体。
一般式（Ｉ）：
Ｌｎ３（Ｇａ５－ＸＡｌＸ）Ｏ１２ （Ｉ）
（式中、Ｌｎは、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、ＹｂおよびＬｕから選ばれた一種以上の金属元素を表す。Ｘは、０＜Ｘ＜５である。）で表されるガーネット結晶相と、Ｉｎ２Ｏ３で表されるビックスバイト結晶相を含む酸化物焼結体。
Ｉｎ元素、Ｇａ元素、Ａｌ元素およびＬｎ元素を含み、格子定数が、１１．９３×１０-10ｍ以上、１２．２０×１０-10ｍ以下であるガーネット結晶相、およびＩｎ2Ｏ3で表されるビックスバイト結晶相を含む酸化物焼結体。
（ただし、Ｌｎは、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、ＹｂおよびＬｕから選ばれた一種以上の金属元素を表す。）
Ｌｎが、Ｙｂ元素である上記に記載の酸化物焼結体。
上記に記載の酸化物焼結体を有するスパッタリングターゲット。
Ｉｎ元素、Ｇａ元素、およびＬｎ元素を、原子比が下記の式（２－１）から（２－３）を満たす範囲で含有する酸化物焼結体。
０．７５≦Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｌｎ）≦０．９６・・・（２－１）
０．０３≦Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｌｎ）≦０．１０・・・（２－２）
０．０１≦Ｌｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｌｎ）≦０．１５・・・（２－３）
（式中、Ｉｎ、Ｇａ、Ｌｎは、それぞれ酸化物焼結体中のＩｎ元素、Ｇａ元素およびＬｎ元素の原子数を示す。また、Ｌｎは、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、ＹｂおよびＬｕから選ばれた一種以上の金属元素を表す。）
Ｙｂ３Ｇａ５Ｏ１２で表されるガーネット結晶相、および、Ｉｎ２Ｏ３で表されるビックスバイト結晶相を含む上記に記載の酸化物焼結体。
Ｉｎ元素、Ｇａ元素、Ｌｎ元素およびＡｌ元素を、原子比が下記の式（２－４）から（２－７）を満たす範囲で含有する酸化物焼結体。
０．７０≦Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｌｎ＋Ａｌ）≦０．９５・・・（２－４）
０．０３≦Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｌｎ＋Ａｌ）≦０．１０・・・（２－５）
０．０１≦Ｌｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｌｎ＋Ａｌ）≦０．１０・・・（２－６）
０．０１≦Ａｌ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｌｎ＋Ａｌ）≦０．１０・・・（２－７）
（式中、Ｉｎ、Ｇａ、Ｌｎ、Ａｌは、それぞれ酸化物焼結体中のＩｎ元素、Ｇａ元素、Ｌｎ元素およびＡｌ元素の原子数を示す。また、Ｌｎは、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、ＹｂおよびＬｕから選ばれた一種以上の金属元素を表す。）
Ｓｎ元素を１００～１００００ｐｐｍ含む上記に記載の酸化物焼結体。
前記酸化物焼結体が一般式（Ｉ）で表されるガーネット結晶相、および、Ｉｎ２Ｏ３で表されるビックスバイト結晶相を含む、上記に記載の酸化物焼結体。
Ｌｎ３（Ｇａ５－ＸＡｌＸ）Ｏ１２・・・一般式（Ｉ）
（式中、Ｘは、０＜Ｘ＜５である。）
Ｉｎ元素、Ｓｎ元素およびＬｎ元素を含み、各元素の原子比が下記の式（２－８）から（２－１０）を満たす酸化物焼結体。
０．５５≦Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｌｎ）≦０．９０・・・（２－８）
０．０５≦Ｓｎ／（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｌｎ）≦０．２５・・・（２－９）
０．０５≦Ｌｎ／（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｌｎ）≦０．２０・・・（２－１０）
（式中、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｌｎは、それぞれ酸化物焼結体中のＩｎ元素、Ｓｎ元素およびＬｎ元素の原子数を示す。また、Ｌｎは、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、ＹｂおよびＬｕから選ばれた一種以上の金属元素を表す。）
前記酸化物焼結体がＳｎＯ２で表されるルチル結晶相、および、Ｉｎ２Ｏ３で表されるビックスバイト結晶相を含む、上記に記載の酸化物焼結体。
Ｉｎ元素、Ｇａ元素、およびＬｎ元素を含み、各元素の原子比が下記の式（２－１）から（２－３）を満たす酸化物半導体薄膜。
０．７５≦Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｌｎ）≦０．９６・・・（２－１）
０．０３≦Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｌｎ）≦０．１０・・・（２－２）
０．０１≦Ｌｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｌｎ）≦０．１５・・・（２－３）
（式中、Ｉｎ、Ｇａ、Ｌｎは、それぞれ酸化物半導体薄膜中のＩｎ元素、Ｇａ元素およびＬｎ元素の原子数を示す。また、Ｌｎは、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、ＹｂおよびＬｕから選ばれた一種以上の金属元素を表す。）
Ｉｎ元素、Ｇａ元素、Ｌｎ元素およびＡｌ元素を含み、各元素の原子比が下記の式（２－４）から（２－７）を満たす酸化物半導体薄膜。
０．７０≦Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｌｎ＋Ａｌ）≦０．９５・・・（２－４）
０．０３≦Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｌｎ＋Ａｌ）≦０．１０・・・（２－５）
０．０１≦Ｌｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｌｎ＋Ａｌ）≦０．１０・・・（２－６）
０．０１≦Ａｌ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｌｎ＋Ａｌ）≦０．１０・・・（２－７）
（式中、Ｉｎ、Ｇａ、Ｌｎ、Ａｌは、それぞれ酸化物半導体薄膜中のＩｎ元素、Ｇａ元素、Ｌｎ元素およびＡｌ元素の原子数を示す。また、Ｌｎは、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、ＹｂおよびＬｕから選ばれた一種以上の金属元素を表す。）
Ｓｎ元素を１００～１００００ｐｐｍ含む上記に記載の酸化物半導体薄膜。
Ｉｎ元素、Ｓｎ元素およびＬｎ元素を含み、各元素の原子比が下記の式（２－８）から（２－１０）を満たす酸化物半導体薄膜。
０．５５≦Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｌｎ）≦０．９０・・・（２－８）
０．０５≦Ｓｎ／（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｌｎ）≦０．２５・・・（２－９）
０．０５≦Ｌｎ／（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｌｎ）≦０．２０・・・（２－１０）
（式中、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｌｎは、それぞれ酸化物半導体薄膜中のＩｎ元素、Ｓｎ元素およびＬｎ元素の原子数を示す。また、Ｌｎは、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、ＹｂおよびＬｕから選ばれた一種以上の金属元素を表す。）
上記に記載の酸化物半導体薄膜を含む薄膜トランジスタ。
上記に記載の薄膜トランジスタを含む電子機器。
光電変換素子と、
前記光電変換素子にソースまたはドレインの一方が電気的に接続されたｎ型の転送トランジスタと、
前記転送トランジスタのソースまたはドレインの他方に電気的に接続された信号電荷蓄積部と、
前記転送トランジスタのソースまたはドレインの他方、および前記信号電荷蓄積部に電気的に接続されたゲートを備えるｐ型の増幅トランジスタと、
前記信号電荷蓄積部に電気的に接続されたソースまたはドレインを備えるｎ型のリセットトランジスタと、
を備え、
前記転送トランジスタおよび前記リセットトランジスタは、
チャネル形成領域が、酸化物半導体薄膜を有し、
前記酸化物半導体薄膜は、Ｉｎ元素、Ｓｎ元素、およびＧａ元素から選ばれた１種以上の元素と、Ａｌ元素、Ｙ元素、ランタノイド元素Ｌｎから選ばれた１種以上の元素と、を含有することを特徴とするイメージセンサー。
前記酸化物半導体薄膜がＺｎ元素を含まないことを特徴とする、上記に記載のイメージセンサー。
前記酸化物半導体薄膜は非晶質であることを特徴とする、上記に記載のイメージセンサー。
前記酸化物半導体薄膜は結晶質であることを特徴とする、上記に記載のイメージセンサー。
前記酸化物半導体薄膜の原子組成比が下記式（３－１）および式（３－２）を満たすことを特徴とする、上記に記載のイメージセンサー。
０．６０≦（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｇａ）／（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｇａ＋Ａｌ＋Ｙ＋Ｌｎ）≦０．９８ ・・・(３－１)
０．０２≦（Ａｌ＋Ｙ＋Ｌｎ）／（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｇａ＋Ａｌ＋Ｙ＋Ｌｎ）≦０．４０ ・・・(３－２)
（式中、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｇａ、Ａｌ、Ｙ、Ｌｎは、それぞれ酸化物半導体薄膜中のＩｎ元素、Ｓｎ元素、Ｇａ元素、Ａｌ元素、Ｙ元素およびランタノイド元素Ｌｎの原子数を示す。）
前記酸化物半導体薄膜は、Ｉｎ元素、Ｓｎ元素、Ｇａ元素、およびＡｌ元素を含み、
原子組成比が下記式（３－３）から式（３－６）を満たすことを特徴とする、上記に記載のイメージセンサー。
０．０１≦Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ）≦０．３０ ・・・（３－３）
０．０１≦Ｓｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ）≦０．４０ ・・・（３－４）
０．５５≦Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ）≦０．９８ ・・・（３－５）
０．０５≦Ａｌ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ＋Ａｌ）≦０．３０ ・・・（３－６）
（式中、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｇａ、Ａｌは、それぞれ酸化物半導体薄膜中のＩｎ元素、Ｓｎ元素、Ｇａ元素およびＡｌ元素の原子数を示す。）
前記酸化物半導体薄膜は、Ｉｎ元素、Ｓｎ元素、Ｇａ元素、およびＡｌ元素を含み、
原子組成比が下記式（３－７）から式（３－１０）を満たすことを特徴とする、上記に記載のイメージセンサー。
０．０１≦Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ）≦０．５０ ・・・（３－７）
０．０１≦Ｓｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ）≦０．５０ ・・・（３－８）
０．２０≦Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ）＜０．５５ ・・・（３－９）
０．０５≦Ａｌ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ＋Ａｌ）≦０．３０ ・・・（３－１０）
（式中、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｇａ、Ａｌは、それぞれ酸化物半導体薄膜中のＩｎ元素、Ｓｎ元素、Ｇａ元素およびＡｌ元素の原子数を示す。）
前記酸化物半導体薄膜は、Ｉｎ元素、Ｓｎ元素、Ｇａ元素、およびＬｎ元素を含み、
原子組成比が下記式（３－１１）から（３－１４）を満たすことを特徴とする、上記に記載のイメージセンサー。
０．０１≦Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ）≦０．３０ ・・・（３－１１）
０．０１≦Ｓｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ）≦０．４０ ・・・（３－１２）
０．５５≦Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ）≦０．９８ ・・・（３－１３）
０．０３≦Ｌｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ＋Ｌｎ）≦０．２５ ・・・（３－１４）
（式中、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｇａ、Ｌｎは、それぞれ酸化物半導体薄膜中のＩｎ元素、Ｓｎ元素、Ｇａ元素およびランタノイド元素Ｌｎの原子数を示す。）
前記酸化物半導体薄膜は、Ｉｎ元素、Ｓｎ元素、Ｇａ元素、Ａｌ元素およびＹ元素を含み、
原子組成比が下記式（３－１５）および式（３－１６）を満たすことを特徴とする上記に記載のイメージセンサー。
０．０３≦（Ａｌ＋Ｇａ＋Ｙ）／（Ｉｎ＋Ｙ＋Ａｌ＋Ｇａ）＜０．５０・・・（３－１５）
０．０５≦［（Ａｌ＋Ｇａ）／（Ｉｎ＋Ａｌ＋Ｇａ＋Ｙ）］／［（Ｙ＋Ａｌ＋Ｇａ）／（Ｉｎ＋Ａｌ＋Ｇａ＋Ｙ）］≦０．７５ ・・・（３－１６）
（式中、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｇａ、Ａｌ、Ｙは、それぞれ酸化物半導体薄膜中のＩｎ元素、Ｓｎ元素、Ｇａ元素、Ａｌ元素およびＹ元素の原子数を示す。）
前記酸化物半導体薄膜の原子組成比が下記式（３－１７）を満たすことを特徴とする、上記に記載のイメージセンサー。
０．０００１≦（Ａｌ＋Ｙ）／（Ｉｎ＋Ａｌ＋Ｙ）≦０．１・・・（３－１７）
（式中、Ｉｎ、Ａｌ、Ｙは、それぞれ酸化物半導体薄膜中のＩｎ元素、Ａｌ元素およびＹ元素の原子数を示す。）
前記酸化物半導体薄膜の原子組成比が下記式（３－１８）を満たすことを特徴とする、上記に記載のイメージセンサー。
０．０１≦（Ｙ＋Ｌｎ＋Ａｌ＋Ｇａ）／（Ｉｎ＋Ｙ＋Ｌｎ＋Ａｌ＋Ｇａ）≦０．５・・・（３－１８）
（式中、Ｉｎ、Ｇａ、Ａｌ、Ｙ、Ｌｎは、それぞれ酸化物半導体薄膜中のＩｎ元素、Ｇａ元素、Ａｌ元素、Ｙ元素およびランタノイド元素Ｌｎの原子数を示す。）
前記酸化物半導体薄膜は、
酸化インジウムを主成分とし、単一の結晶方位を有する表面結晶粒子を含むことを特徴とする、上記に記載のイメージセンサー。
前記酸化物半導体薄膜は、
ガリウム元素が酸化インジウムに固溶しており、
全金属原子に対するインジウム元素とガリウム元素の含有率が８０原子％以上であり、
Ｉｎ2Ｏ3で表されるビッグスバイト構造を有し、
原子組成比が下記式（３－１９）を満たすことを特徴とする、上記に記載のイメージセンサー。
０．００１≦Ｇａ／（Ｇａ＋Ｉｎ）≦０．１０・・・（３－１９）
（式中、Ｉｎ、Ｇａは、それぞれ酸化物半導体薄膜中のＩｎ元素およびＧａ元素の原子数を示す。）
本発明によれば、新たな酸化物系で構成される、酸化物焼結体、スパッタリングターゲット、薄膜トランジスタ（以下、ＴＦＴということがある）に用いたときに優れたＴＦＴ性能が発揮される酸化物半導体薄膜を提供することができる。
なお、これらの効果の記載は、他の効果の存在を妨げるものではない。なお、本発明の一態様は、必ずしも、これらの効果の全てを有する必要はない。なお、これら以外の効果は、明細書、図面、請求項などの記載から、自ずと明らかとなるものであり、明細書、図面、請求項などの記載から、これら以外の効果を抽出することが可能である。
第１の実施形態に係るターゲットの形状を示す斜視図。 第１の実施形態に係るターゲットの形状を示す斜視図。 第１の実施形態に係るターゲットの形状を示す斜視図。 第１の実施形態に係るターゲットの形状を示す斜視図。 第１の実施形態に係る薄膜トランジスタを示す概略断面図。 第１の実施形態に係る薄膜トランジスタを示す概略断面図。 量子トンネル電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）の模式図（縦断面図） 量子トンネル電界効果トランジスタの他の例を示す縦断面図。 図８において、ｐ型半導体層とｎ型半導体層の間に酸化シリコン層が形成された部分のＴＥＭ（透過型電子顕微鏡）写真。 量子トンネル電界効果トランジスタの製造手順を説明するための縦断面図。 量子トンネル電界効果トランジスタの製造手順を説明するための縦断面図。 量子トンネル電界効果トランジスタの製造手順を説明するための縦断面図。 量子トンネル電界効果トランジスタの製造手順を説明するための縦断面図。 量子トンネル電界効果トランジスタの製造手順を説明するための縦断面図。 第１の実施形態に係る薄膜トランジスタを用いた表示装置を示す上面図。 ＶＡ型液晶表示装置の画素に適用することができる画素部の回路を示す図。 第１の実施形態に係る薄膜トランジスタを用いた固体撮像素子の画素部の回路を示す図。 ＣＭＯＳイメージセンサーの単位セルの等価回路の構成を示す図。 第４の実施形態に係るイメージセンサーの単位セルの縦断面図。 図１９の転送トランジスタの拡大図。 第４の実施形態に係るイメージセンサーの単位セルの縦断面図であって、フォトダイオードとして有機ダイオードを用いた場合を示す図。 フォトダイオードの動作について説明する図であって、出力部の電流と電圧の関係を示す図。 単位セルの動作を示すタイミングチャート。 実施例１－１の焼結体のＸＲＤチャート。 実施例１－２の焼結体のＸＲＤチャート。 比較例１－１の焼結体のＸＲＤチャート。 比較例１－２の焼結体のＸＲＤチャート。 ガラス基板上に酸化物半導体薄膜を形成した状態を示す縦断面図。 図２８の酸化物半導体薄膜上にＳｉＯ2膜を形成した状態を示す図。 実施例２－１の焼結体のＸＲＤチャート。 実施例２－２の焼結体のＸＲＤチャート。 実施例２－３の焼結体のＸＲＤチャート。 実施例２－４の焼結体のＸＲＤチャート。 実施例２－５の焼結体のＸＲＤチャート。 実施例２－６の焼結体のＸＲＤチャート。 実施例２－７の焼結体のＸＲＤチャート。 実施例２－８の焼結体のＸＲＤチャート。 実施例２－９の焼結体のＸＲＤチャート。 実施例２－１０の焼結体のＸＲＤチャート。 実施例２－１１の焼結体のＸＲＤチャート。 実施例２－１２の焼結体のＸＲＤチャート。
以下、実施の形態について図面を参照しながら説明する。但し、実施の形態は多くの異なる態様で実施することが可能であり、趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。従って、本発明は、以下の実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。
また、図面において、大きさ、層の厚さ、又は領域は、明瞭化のために誇張されている場合がある。よって、必ずしもそのスケールに限定されない。なお図面は、理想的な例を模式的に示したものであり、図面に示す形状又は値などに限定されない。
また、本明細書にて用いる「第１」、「第２」、「第３」という序数詞は、構成要素の混同を避けるために付したものであり、数的に限定するものではないことを付記する。
また、本明細書等において、「電気的に接続」には、「何らかの電気的作用を有するもの」を介して接続されている場合が含まれる。ここで、「何らかの電気的作用を有するもの」は、接続対象間での電気信号の授受を可能とするものであれば、特に制限を受けない。例えば、「何らかの電気的作用を有するもの」には、電極や配線をはじめ、トランジスタなどのスイッチング素子、抵抗素子、インダクタ、キャパシタ、その他の各種機能を有する素子などが含まれる。
また、本明細書等において、「膜」または「薄膜」という用語と、「層」という用語とは、場合によっては、互いに入れ替えることが可能である。
また、本明細書等において、トランジスタが有するソースやドレインの機能は、異なる極性のトランジスタを採用する場合や、回路動作において電流の方向が変化する場合などには入れ替わることがある。このため、本明細書等においては、ソースやドレインの用語は、入れ替えて用いることができるものとする。
また、本明細書等の酸化物焼結体及び酸化物半導体薄膜において、「化合物」という用語と、「結晶相」という用語は、場合によっては、互いに入れ替えることが可能である。
まず、第１の実施形態について説明する。
＜第１の実施形態の背景＞
まず、第１の実施形態の背景を簡単に説明する。
従来の、酸化インジウム（Ｉｎ2Ｏ3）、酸化ガリウム（Ｇａ2Ｏ3）、および酸化イットリウム（Ｙ2Ｏ3）を焼結して得られる酸化物焼結体からなるスパッタリングターゲットを用いてスパッタ法によって得られる酸化物半導体薄膜を用いた薄膜トランジスタの移動度は、半導体薄膜の成膜条件にもよるが、成膜時の酸素濃度が１％近傍では２５ｃｍ2／Ｖ・ｓ程度であり、成膜時の酸素濃度が２０％近傍では１０ｃｍ2／Ｖ・ｓ以下となり、更なる高移動度のＴＦＴが望まれている。
上記課題を解決するため、本発明者らは、酸化インジウム（Ｉｎ2Ｏ3）、酸化イットリウム（Ｙ2Ｏ3）、酸化ガリウム（Ｇａ2Ｏ3）に、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）を添加した焼結体を製造した。この焼結体に研削加工を施してターゲット材（ターゲット素材）とし、これをバッキングプレートにボンディングしてスパッタリングターゲットを製造した。このスパッタリングターゲットを用いて成膜した薄膜に、ＣＶＤ処理を施し、熱処理を行うことにより、高移動度の薄膜トランジスタが得られることを見出した。また、酸化アルミニウムは絶縁体であり、添加すると焼結体のバルク抵抗が上がると考えられていたが、一定の組成範囲で添加することにより、逆にバルク抵抗が下がることも見出した。
以上が、第１の実施形態の背景である。
＜酸化物焼結体の構造＞
次に、第１の実施形態に係る酸化物焼結体の構造について説明する。
第１の実施形態の一態様の酸化物焼結体（以下、第１の実施形態の第１の酸化物焼結体という）は、
Ｉｎ元素、Ｙ元素、およびＧａ元素を下記式（１－１）から（１－３）に規定する範囲の原子比
０．８０≦Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｙ＋Ｇａ）≦０．９６ ・・・（１－１）
０．０２≦Ｙ ／（Ｉｎ＋Ｙ＋Ｇａ）≦０．１０ ・・・（１－２）
０．０２≦Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｙ＋Ｇａ）≦０．１５ ・・・（１－３）
で含有し、
かつ、Ａｌ元素を下記式（１－４）に規定する範囲の原子比
０．００５≦Ａｌ／（Ｉｎ＋Ｙ＋Ｇａ＋Ａｌ）≦０．０７ ・・・（１－４）
で含有することを特徴とする。
（式中、Ｉｎ、Ｙ、Ｇａ、Ａｌは、それぞれ酸化物焼結体中のＩｎ元素、Ｙ元素、Ｇａ元素およびＡｌ元素の原子数を示す。）
式（１－１）から（１－４）を満たす範囲でＩｎ元素、Ｙ元素、Ｇａ元素、およびＡｌ元素を含有する酸化物焼結体とすることにより、この焼結体をターゲットとして製造した酸化物半導体薄膜が、高移動度で、ＣＶＤ等での特性変化の小さい半導体薄膜になる。よって、各元素を添加する好ましい理由は後述する酸化物半導体薄膜で記載した理由と同様である。
また、Ａｌ元素を式（１－４）の範囲とすることにより、焼結体のバルク抵抗を下げることができる。
第１の実施形態の第１の酸化物焼結体の一態様では、Ｇａ元素を下記式（１－５）に規定する範囲の原子比で、
０．０２≦Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｙ＋Ｇａ）≦０．１０ ・・・（１－５）
で含有することが好ましい。
第１の実施形態の第１の酸化物焼結体の一態様では、
Ｉｎ元素、Ｙ元素、およびＧａ元素を下記式（１－１Ａ）から（１－３Ａ）に規定する範囲の原子比
０．８２≦Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｙ＋Ｇａ）≦０．９４ ・・・（１－１Ａ）
０．０３≦Ｙ ／（Ｉｎ＋Ｙ＋Ｇａ）≦０．０９ ・・・（１－２Ａ）
０．０３≦Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｙ＋Ｇａ）≦０．０９ ・・・（１－３Ａ）
で含有し、
かつ、Ａｌ元素を下記式（１－４Ａ）に規定する範囲の原子比
０．０１≦Ａｌ／（Ｉｎ＋Ｙ＋Ｇａ＋Ａｌ）≦０．０６ ・・・（１－４Ａ）
で含有することがより好ましい。
第１の実施形態の第１の酸化物焼結体の一態様では、
Ｉｎ元素、Ｙ元素、およびＧａ元素を下記式（１－１Ｂ）から（１－３Ｂ）に規定する範囲の原子比
０．８４≦Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｙ＋Ｇａ）≦０．９２ ・・・（１－１Ｂ）
０．０４≦Ｙ ／（Ｉｎ＋Ｙ＋Ｇａ）≦０．０８ ・・・（１－２Ｂ）
０．０４≦Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｙ＋Ｇａ）≦０．０８ ・・・（１－３Ｂ）
で含有し、
かつ、Ａｌ元素を下記式（１－４Ｂ）に規定する範囲の原子比
０．０１≦Ａｌ／（Ｉｎ＋Ｙ＋Ｇａ＋Ａｌ）≦０．０６ ・・・（１－４Ｂ）
で含有することがより好ましい。
第１の実施形態の第１の酸化物焼結体は、本質的に、インジウム（Ｉｎ）元素、イットリウム（Ｙ）元素、ガリウム（Ｇａ）元素、アルミニウム（Ａｌ）元素および酸素（Ｏ）元素からなっていてもよい。この場合、不可避不純物を含んでいてもよい。本発明の酸化物焼結体の、例えば、７０％質量以上、８０質量％以上、または９０質量％以上が、インジウム（Ｉｎ）元素、イットリウム（Ｙ）元素、ガリウム（Ｇａ）元素、アルミニウム（Ａｌ）元素および酸素（Ｏ）元素であってもよい。また、本発明の酸化物焼結体は、インジウム（Ｉｎ）元素、イットリウム（Ｙ）元素、ガリウム（Ｇａ）元素、アルミニウム（Ａｌ）元素および酸素（Ｏ）元素のみからなっていてもよい。なお、不可避不純物とは、意図的に添加しない元素であって、原料や製造工程で混入する元素を意味する。以下の説明でも同様である。
不可避不純物の例としては、アルカリ金属、アルカリ土類金属（Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ等など）、水素（Ｈ）元素、ホウ素（Ｂ）元素、炭素（Ｃ）元素、窒素（Ｎ）元素，フッ素（Ｆ）元素、ケイ素（Ｓｉ）元素、および塩素（Ｃｌ）元素である。
第１の実施形態の第１の酸化物焼結体は、正四価以上の金属元素Ｘの酸化物を下記式（１－６）に規定する範囲の原子比で含有することが好ましい。
０．００００５≦Ｘ／（Ｉｎ＋Ｙ＋Ｇａ＋Ａｌ＋Ｘ）≦０．００５ ・・・（１－６）
（式中、Ｘは、酸化物焼結体中のＸ元素の原子数を示す。）
正四価以上の金属元素Ｘの酸化物を含むことにより、焼結体のバルク抵抗を低減でき、スパッタ中のプラズマによる加熱によるターゲットの割れを防止することができる。正四価以上の金属Ｘの酸化物としては、Ｘ＝Ｓｉ、Ｇｅ，Ｓｎ、Ｔｉ，Ｚｒ、Ｈｆ、Ｃｅ、Ｗなどから選ぶことができる。
正四価以上の金属元素Ｘの酸化物は、ＳｎＯ2、ＣｅＯ2から選ばれる１種以上の金属酸化物であることが好ましい。
第１の実施形態の第１の酸化物焼結体は、正四価以上の金属元素Ｘの酸化物を下記式（１－６Ａ）に規定する範囲の原子比で含有することが好ましい。
０．００００８≦Ｘ／（Ｉｎ＋Ｙ＋Ｇａ＋Ａｌ＋Ｘ）≦０．００３ ・・・（１－６Ａ）
下記式（１－６Ｂ）に規定する範囲の原子比で含有することが、さらに好ましい。
０．０００１≦Ｘ／（Ｉｎ＋Ｙ＋Ｇａ＋Ａｌ＋Ｘ）≦０．００１ ・・・（１－６Ｂ）
である。
第１の実施形態の第１の酸化物焼結体は、Ｉｎ2Ｏ3で表されるビックスバイト結晶相と、Ｙ3Ｇａ5Ｏ12結晶相およびＹ3Ｇａ4ＡｌＯ12結晶相のいずれか一方または両方とを含むことが好ましい。
第１の実施形態の別の態様の酸化物焼結体（以下、第１の実施形態の第２の酸化物焼結体という）は、Ｉｎ、Ｙ、Ｇａ、Ａｌ、およびＯを主たる構成元素とする酸化物焼結体であって、Ｉｎ2Ｏ3で表されるビックスバイト結晶相と、Ｙ3Ｇａ5Ｏ12結晶相およびＹ3Ｇａ4ＡｌＯ12結晶相のいずれか一方または両方とを含むことを特徴とする。
第１の実施形態の第２の酸化物焼結体は、第１の酸化物焼結体における原子比組成に限定されない。本発明の第１の酸化物焼結体の原子比組成に合致していなくても、Ｉｎ2Ｏ3で表されるビックスバイト結晶相と、Ｙ3Ｇａ5Ｏ12結晶相およびＹ3Ｇａ4ＡｌＯ12結晶相のいずれか一方または両方とを含んでいれば、本発明の第２の酸化物焼結体である。
第１の実施形態の第２の酸化物焼結体における「Ｉｎ元素、Ｙ元素、Ｇ元素ａ、Ａｌ元素、およびＯ元素を主たる構成元素とする」とは、本質的に、インジウム（Ｉｎ）元素、イットリウム（Ｙ）元素、ガリウム（Ｇａ）元素、アルミニウム（Ａｌ）元素および酸素（Ｏ）元素からなっていてもよいし、酸化物焼結体の、例えば、７０％質量以上、８０質量％以上、または９０質量％以上が、インジウム（Ｉｎ）元素、イットリウム（Ｙ）元素、ガリウム（Ｇａ）元素、アルミニウム（Ａｌ）元素および酸素（Ｏ）元素であってもよいし、インジウム（Ｉｎ）元素、イットリウム（Ｙ）元素、ガリウム（Ｇａ）元素、アルミニウム（Ａｌ）元素および酸素（Ｏ）元素のみからなり、残部が不可避不純物のみからなってもよいことを意味する。
不可避不純物の例としては、上述の通りである。
第１の実施形態の第１の酸化物焼結体は、酸化インジウム（Ｉｎ2Ｏ3）、酸化イットリウム（Ｙ2Ｏ3）、酸化ガリウム（Ｇａ2Ｏ3）を、Ｉｎ元素、Ｙ元素、およびＧａ元素の割合が下記式（１－１）から（１－３）に規定する範囲の原子比
０．８０≦Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｙ＋Ｇａ）≦０．９６ ・・・（１－１）
０．０２≦Ｙ ／（Ｉｎ＋Ｙ＋Ｇａ）≦０．１０ ・・・（１－２）
０．０２≦Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｙ＋Ｇａ）≦０．１５ ・・・（１－３）
となるように混合し、
さらに、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）を、Ａｌ元素の割合が下記式（１－４）に規定する範囲の原子比
０．００５≦Ａｌ／（Ｉｎ＋Ｙ＋Ｇａ＋Ａｌ）≦０．０７ ・・・（１－４）
となるように、混合した原料を焼結することによって製造できる。
第１の実施形態の第１および第２の酸化物焼結体は、酸化インジウム（Ｉｎ2Ｏ3）、酸化イットリウム（Ｙ2Ｏ3）、酸化ガリウム（Ｇａ2Ｏ3）および酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）を混合した原料を焼結することによって製造できる。得られた焼結体のうち、Ｉｎ2Ｏ3で表されるビックスバイト結晶相と、Ｙ3Ｇａ5Ｏ12結晶相およびＹ3Ｇａ4ＡｌＯ12結晶相のいずれか一方または両方とを含むものが本発明の第２の酸化物焼結体である。
第１の実施形態の第１の酸化物焼結体の一態様では、Ｉｎ2Ｏ3で表されるビックスバイト結晶相を含み、さらにＹ3Ｇａ5Ｏ12結晶相およびＹ3Ｇａ4ＡｌＯ12結晶相のいずれか一方または両方を含む酸化物焼結体であることが好ましい。Ｙ3Ｇａ5Ｏ12結晶相およびまたはＹ3Ｇａ4ＡｌＯ12結晶相を含むことにより、より緻密な焼結体となる。
第１の実施形態の別の態様の酸化物焼結体（以下、第１の実施形態の第３の酸化物焼結体という）は、Ｉｎ、Ｙ、Ｇａ、Ａｌ、正４価の金属元素およびＯ元素を主たる構成元素とする酸化物焼結体であって、Ｉｎ2Ｏ3で表されるビックスバイト結晶相と、Ｙ3Ｇａ4ＡｌＯ12結晶相を含む酸化物焼結体を含む。
第３の酸化物焼結体の組成は、第１および第２の酸化物焼結体の組成に限定されない。
第１の実施形態の第３の酸化物焼結体における「Ｉｎ、Ｙ、Ｇａ、Ａｌ、正４価の金属およびＯを主たる構成元素とする」とは、本質的に、インジウム（Ｉｎ）元素、イットリウム（Ｙ）元素、ガリウム（Ｇａ）元素、アルミニウム（Ａｌ）元素、正４価の金属元素および酸素（Ｏ）元素からなっていてもよいし、酸化物焼結体の、例えば、７０％質量以上、８０質量％以上、または９０質量％以上が、インジウム（Ｉｎ）元素、イットリウム（Ｙ）元素、ガリウム（Ｇａ）元素、アルミニウム（Ａｌ）元素、正４価の金属元素および酸素（Ｏ）元素であってもよいし、インジウム（Ｉｎ）元素、イットリウム（Ｙ）元素、ガリウム（Ｇａ）元素、アルミニウム（Ａｌ）元素、正４価の金属元素および酸素（Ｏ）元素のみからなり、残部が不可避不純物のみからなってもよいことを意味する。
不可避不純物の例としては、上述の通りである。
第１の実施形態の第３の酸化物焼結体は、例えば、酸化インジウム（Ｉｎ2Ｏ3）、酸化イットリウム（Ｙ2Ｏ3）、酸化ガリウム（Ｇａ2Ｏ3）を、Ｉｎ元素、Ｙ元素、およびＧａ元素の割合が下記式（１）から（３）に規定する範囲の原子比
０．８０≦Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｙ＋Ｇａ）≦０．９６ ・・・（１－１）
０．０２≦Ｙ ／（Ｉｎ＋Ｙ＋Ｇａ）≦０．１０ ・・・（１－２）
０．０２≦Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｙ＋Ｇａ）≦０．１５ ・・・（１－３）
となるように混合し、
さらに、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）を、Ａｌ元素の割合が下記式（１－４）に規定する範囲の原子比
０．００５≦Ａｌ／（Ｉｎ＋Ｙ＋Ｇａ＋Ａｌ）≦０．０７ ・・・（１－４）
および、正四価以上の金属元素Ｘの酸化物を下記式（１－６）に規定する範囲の原子比、
０．００００５≦Ｘ／（Ｉｎ＋Ｙ＋Ｇａ＋Ａｌ＋Ｘ）≦０．００５ ・・・（１－６）
となるように、混合した原料を焼結することによって製造できる。
第１の実施形態の第３の酸化物焼結体は、例えば、酸化インジウム（Ｉｎ2Ｏ3）、酸化イットリウム（Ｙ2Ｏ3）、酸化ガリウム（Ｇａ2Ｏ3）、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）および酸化錫（ＳｎＯ２）を混合した原料を焼結することによって製造できる。得られた焼結体のうち、Ｉｎ2Ｏ3で表されるビックスバイト結晶相と、Ｙ3Ｇａ4ＡｌＯ12結晶相の両方とを含むものが第１の実施形態の第３の酸化物焼結体である。
第１の実施形態の第１から第３の酸化物焼結体は、相対密度が９５％以上であることが好ましい。相対密度が９５％以上であれば、焼結体およびターゲットの製造中に割れやクラック等が発生せず安定に製造できるという利点が得られる。相対密度は、９６％以上であることが好ましく、９７％以上であることがより好ましく、９８％以上であることがさらに好ましい。酸化物焼結体の相対密度は、実施例に記載の方法に従って求めることができる。
Ｉｎ2Ｏ3で表されるビックスバイト結晶相を含み、さらにＹ3Ｇａ5Ｏ12結晶相およびＹ3Ｇａ4ＡｌＯ12結晶相のいずれか一方または両方を含む、上記本発明の酸化物焼結体は、相対密度が９５％以上となり易いため特に好ましい。
第１の実施形態の第１から第３の酸化物焼結体は、バルク抵抗が３０ｍΩ・ｃｍ以下であることが好ましい。バルク抵抗が３０ｍΩ・ｃｍ超では、異常放電を誘発したり、スパッタ中にターゲット表面が加熱されるため、導電性が低いと、熱伝導性も低くなり、熱応力によりヘアーラインクラックが発生したりターゲットが割れたりする場合がある。
以上が、第１の実施形態の第１から第３の酸化物焼結体の説明である。
次に、第１の実施形態の第１から第３の酸化物焼結体の製造方法について説明する。
第１の実施形態に係る酸化物焼結体が製造できるものであれば、製造方法は特に限定しないが、以下の（ａ）から（ｃ）の工程を含む製法を例示できる。
（ａ）原料化合物粉末を混合して混合物を調製する工程。
（ｂ）混合物を成型して成型体を調製する工程。
（ｃ）成型体を焼結する工程。
（１）工程（ａ）：配合工程
配合工程は、酸化物焼結体の原料を混合する工程である。
原料としては、Ｉｎ化合物の粉末、Ｙ化合物の粉末、Ｇａ化合物の粉末、およびＡｌ化合物の粉末を用いる。正４価の金属酸化物を添加する場合は、正４価の金属酸化物の粉末も用いる。Ａｌの化合物としては、例えば、酸化物、および水酸化物が挙げられる。ＹおよびＧａの化合物としては、酸化物が挙げられる。焼結のしやすさ、副生成物の残存のし難さから、いずれも酸化物が好ましい。
原料の純度は、通常２Ｎ（９９質量％）以上、好ましくは３Ｎ（９９．９質量％）以上、特に好ましくは４Ｎ（９９．９９質量％）以上である。純度が２Ｎ以上であることにより、酸化物焼結体の耐久性が確保でき、液晶ディスプレイに用いた際に不純物が酸化物半導体膜中に偏析することや、不純物がゲート絶縁膜や層間絶縁膜中に入り、酸化物半導体が作動しなくなり焼き付けが起こる可能性を低減できる。
原料粉末の平均粒径は、好ましくは０．１μｍ以上、２μｍ以下であり、より好ましくは０．５μｍ以上、１．５μｍ以下である。原料粉末の平均粒径はレーザー回折式粒度分布装置等で測定することができる。
原料の混合、成型方法は特に限定されず、公知の方法を用いて行うことができる。また、混合する際にはバインダーを原料混合物に添加してもよい。
原料の混合は、例えば、ボールミル、ビーズミル、ジェットミルまたは超音波装置等の公知の装置を用いて行うことができる。粉砕時間等の条件は、適宜調整すればよいが、６時間以上、１００時間以下が好ましい。
（２）工程（ｂ）：成型工程
成型工程は、原料混合物（上記仮焼工程を設けた場合には仮焼物）を加圧成型して成型体とする工程である。この工程により、ターゲットとして好適な形状に成型する。仮焼工程を設けた場合には、得られた仮焼物の微粉末を造粒した後、プレス成型により所望の形状に成型することができる。
成型体の平均厚みは５．５ｍｍ以上が好ましく、６ｍｍ以上がより好ましく、８ｍｍ以上がさらに好ましく、１２ｍｍ以上が特に好ましい。５．５ｍｍ以上だと、成型体の厚さ方向の温度勾配が減少し、表面と深部の結晶型の組合せの変動が生じにくくなることが期待できる。
本工程で用いることができる成型処理としては、例えば、プレス成型（一軸プレス）、金型成型、鋳込み成型、および射出成型等も挙げられる。焼結密度の高い焼結体（ターゲット）を得るためには、冷間静水圧（ＣＩＰ）等で成型するのが好ましい。
また、プレス成型（一軸プレス）後に、冷間静水圧（ＣＩＰ）、または熱間静水圧（ＨＩＰ）等で成型するように、２段階以上の成型工程を設けてもよい。
冷間静水圧、または静水圧加圧装置を用いる場合、面圧７８．５ＭＰａ（８００ｋｇｆ／ｃｍ2をＳＩ単位に換算）以上、３９２．４ＭＰａ（４０００ｋｇｆ／ｃｍ2をＳＩ単位に換算）以下で０．５分以上、６０分以下保持することが好ましい。面圧１９６．２ＭＰａ以上、２９４．３ＭＰａ以下で、２分以上、３０分以下保持することがより好ましい。前記範囲内であると、成型体内部の組成むら等が減り、均一化されることが期待される。面圧を７８．５ＭＰａ以上とすることによりで、焼結後の密度が低くなり、抵抗も低くなる。面圧３９２．４ＭＰａ以下とすることにより、装置を大型化せずに成型できる。保持時間が０．５分以上であると、焼結後の密度と抵抗が高くなるのを防止できる。６０分以下であると時間が掛かりすぎ不経済となるのを防げる。
成型処理では、ポリビニルアルコールやメチルセルロース、ポリワックス、オレイン酸等の成型助剤を用いてもよい。
（３）工程（ｃ）：焼結工程
焼結工程は、上記成型工程で得られた成型体を焼成する必須の工程である。
焼結温度は好ましくは１２００℃以上、１６５０℃以下、より好ましくは１３５０℃以上、１６００℃以下、さらに好ましくは１４００℃以上、１６００℃以下、よりさらに好ましくは１４５０℃以上、１６００℃以下である。
焼結時間は好ましくは１０時間以上、５０時間以下、より好ましくは１２時間以上、４０時間以下、さらに好ましくは１３時間以上、３０時間以下である。
焼結温度が１２００℃以上、焼結時間が１０時間以上であると、焼結が十分進行し、ターゲットの電気抵抗が十分下がり、異常放電が生じ難くなる。焼成温度が１６５０℃以下、焼成時間が５０時間以下であると、著しい結晶粒成長により平均結晶粒径の増大や、粗大空孔の発生を防ぐことができ、焼結体強度の低下や異常放電が生じ難くなる。
常圧焼結法では、成型体を大気雰囲気、または酸素ガス雰囲気にて焼結する。酸素ガス雰囲気は、酸素濃度が、例えば２０体積％以上、８０体積％以下の雰囲気であることが好ましい。昇温過程を酸素ガス雰囲気とすることで、焼結体密度を高くすることができる。
さらに、焼結に際しての昇温速度は、８００℃から焼結温度までを０．１℃／分以上、２℃／分以下とすることが好ましい。
第１の実施形態にかかる焼結体において８００℃から上の温度範囲は、焼結が最も進行する範囲である。この温度範囲での昇温速度が０．１℃／分以上であると、過度な結晶粒成長を抑制でき、高密度化を達成できる。昇温速度が２℃／分以下であることにより、成型体に温度分布が生じ、焼結体が反ったり割れたりするのを抑制できる。
８００℃から焼結温度における昇温速度は、好ましくは０．５℃／分以上、２．０℃／分以下、より好ましくは１．０℃／分以上、１．８℃／分以下である。
＜スパッタリングターゲット＞
次に、第１の実施形態に係るスパッタリングターゲットについて、図１～図４を参照して説明する。
酸化物焼結体は、研削加工され、バッキングプレートに接合されてスパッタリングターゲットとして供される。このスパッタリングターゲットを用いて、スパッタ法により酸化物半導体を成膜することができる。
第１の実施形態の一態様のスパッタリングターゲット（以下、本発明のターゲットという）は、上記本発明の第１から第３の酸化物焼結体（以下、併せて、本発明の酸化物焼結体という）と、バッキングプレートとを含む。本発明の第１の実施形態のスパッタリングターゲットは、上記本発明の酸化物焼結体と、必要に応じて酸化物焼結体に設けられる、バッキングプレート等の冷却および保持用の部材とを含むことが好ましい。
本発明の第１の実施形態ターゲットを構成する酸化物焼結体（ターゲット材）は、上記本発明の酸化物焼結体に研削加工を施したものであるから、ターゲット材は、物質としては、第１の実施形態の酸化物焼結体と同一である。従って、第１の実施形態の酸化物焼結体についての説明はターゲット材にもそのまま当てはまる。
酸化物焼結体の形状は特に限定されないが、図１の符号８０１に示すような板状でもよく、図２の符号８０１Ａに示すような円筒状でもよい。板状の場合、平面形状は、図１（Ａ）の符号１に示すような矩形でもよく、図３の符号８０１Ｂに示すように円形でもよい。酸化物焼結体は一体成型でもよく、図４に示すように、複数に分割した酸化物焼結体（符号８０１Ｃ）をバッキングプレート８０３に各々固定した多分割式でもよい。
バッキングプレート８０３は、酸化物焼結体の保持や冷却用の部材である。材料は銅等の熱伝導性に優れた材料が好ましい。
スパッタリングターゲットは、例えば以下の工程で製造される。
（ｄ）酸化物焼結体の表面を研削する工程。
（ｅ）酸化物焼結体をバッキングプレートにボンディングする工程。
以下、各工程を具体的に説明する。
（４）工程（ｄ）：研削工程
研削（加工）工程は、焼結体を、スパッタリング装置への装着に適した形状に切削加工する工程である。
焼結体表面は、高酸化状態の焼結部が存在したり、面が凸凹であることが多く、また、所定の寸法に切断加工する必要がある。
焼結体の表面は０．３ｍｍ以上研削するのが好ましい。研削する深さは、０．５ｍｍ以上研削するのが好ましく、２ｍｍ以上が特に好ましい。０．３ｍｍ以上研削することにより、表面付近の結晶構造の変動部分を除去できる。
酸化物焼結体を例えば、平面研削盤で研削して平均表面粗さＲａが５μｍ以下の素材とするのが好ましい。さらにスパッタリングターゲットのスパッタ面に鏡面加工を施して、平均表面粗さＲａが１０００×１０-10ｍ以下としてもよい。鏡面加工（研磨）は、機械的な研磨、化学研磨、およびメカノケミカル研磨（機械的な研磨と化学研磨の併用）等の、公知の研磨技術を用いることができる。例えば、固定砥粒ポリッシャー（ポリッシュ液は水）で＃２０００番以上にポリッシングしてもよく、遊離砥粒ラップ（研磨材はＳｉＣペースト等）にてラッピング後、研磨材をダイヤモンドペーストに換えて、ラッピングしてもよい。研磨方法はこれらの方法に限定されない。研磨材は、＃２００番、もしくは＃４００番、さらには＃８００番のものが挙げられる。
研削工程後の酸化物焼結体は、エアーブローや流水洗浄等で清浄するのが好ましい。エアーブローで異物を除去する際には、ノズルの向い側から集塵機で吸気を行なうとより有効に除去できる。なお、エアーブローや流水洗浄では清浄力に限界があるので、さらに超音波洗浄等を行なうこともできる。超音波洗浄は、周波数が２５ｋＨｚ以上、３００ｋＨｚ以下の間で、多重発振させて行なう方法が有効である。例えば周波数が２５ｋＨｚ以上、３００ｋＨｚの間で、２５ｋＨｚ刻みに１２種類の周波数を多重発振させて、超音波洗浄を行なうのが良い。
（５）工程（ｅ）：ボンディング工程
工程（ｅ）は、研削後の焼結体を、金属インジウムなどの低融点金属で、バッキングプレートにボンディングする工程である。
以上がスパッタリングターゲットの説明である。
＜酸化物半導体薄膜＞
次に、第１の実施形態に係る酸化物半導体薄膜について、説明する。
第１の実施形態の一態様の酸化物半導体薄膜（以下、本発明の酸化物半導体薄膜という）は、
Ｉｎ元素、Ｙ元素、およびＧａ元素を下記式（１－７）から（１－９）に規定する範囲の原子比
０．８０≦Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｙ＋Ｇａ）≦０．９６ ・・・（１－７）
０．０２≦Ｙ ／（Ｉｎ＋Ｙ＋Ｇａ）≦０．１０ ・・・（１－８）
０．０２≦Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｙ＋Ｇａ）≦０．１５ ・・・（１－９）
で含有し、
かつ、Ａｌ元素を下記式（１－１０）に規定する範囲の原子比
０．００５≦Ａｌ／（Ｉｎ＋Ｙ＋Ｇａ＋Ａｌ）≦０．０７ ・・・（１－１０）
で含有することを特徴とする。
（式中、Ｉｎ、Ｙ、Ｇａ、Ａｌは、それぞれ酸化物半導体薄膜中のＩｎ元素、Ｙ元素、Ｇａ元素およびＡｌ元素の原子数を示す。）
Ｇａは、下記式（１－１１）に規定する範囲の原子比で含有するのが好ましい。
０．０２≦Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｙ＋Ｇａ）≦０．１０ ・・・（１－１１）
第１の実施形態の酸化物半導体薄膜は、上記本発明のターゲットを用いて、スパッタ法により製造することができる。スパッタ法によって得られる酸化物半導体薄膜の原子比組成は、ターゲット材の原子比組成を反映する。
酸化物半導体薄膜の原子比組成が上記範囲以外では、薄膜トランジスタを形成する工程で使用されるＣＶＤ成膜装置での処理の際に、薄膜トランジスタの半導体部分（本発明の酸化物半導体薄膜）のキャリヤー濃度が上昇し、その後のアニール処理によってもキャリヤー濃度が低下せず、ＴＦＴとして作動しなくなる場合があった。そのため、従来はＣＶＤ装置の成膜温度を低下させて、キャリヤー濃度の上昇を抑え、ＴＦＴ特性の発現を行っていたが、ＣＶＤ装置の成膜温度を低減させたことにより、耐久性の乏しい半導体薄膜しか得られず、ＴＦＴ特性も劣ったものとなる場合があった。
第１の実施形態の一態様の酸化物半導体薄膜は、スパッタによって成膜されたときにアモルファス状態であり、加熱処理（アニール処理）後に結晶状態になることが好ましい。
第１の実施形態態様の酸化物半導体薄膜は、Ｉｎ2Ｏ3で表されるビックスバイト結晶相を含むことが好ましい。結晶化により、酸化物半導体薄膜の密度が向上するためである。また、酸化物半導体薄膜中に酸化インジウム（Ｉｎ2Ｏ3）結晶が生成すると、インジウム原子が整然と並ぶため、Ｉｎ－Ｉｎイオン間のｓ軌道の重なりが大きくなり、キャリヤーの散乱が抑えられ、本発明の酸化物半導体薄膜をＴＦＴに用いたときに、ＴＦＴの移動度が向上する。
また、非晶質に比べて、結晶は安定に存在するために、ＣＶＤ処理や、長時間のＴＦＴの駆動、光照射等による劣化にも強く、安定したＴＦＴ駆動が得られるようになる。
また、Ｉｎ2Ｏ3で表されるビックスバイト結晶相には、イットリウム（Ｙ）元素およびガリウム（Ｇａ）元素のいずれか１以上が置換型固溶していると好ましい。
Ｉｎ2Ｏ3で表されるビックスバイト構造にＹ元素が置換型固溶していることは、焼結体中の酸化インジウムのビックスバイト構造の格子定数が、酸化インジウムのみの格子定数より大きくなっていることにより確認できる。
Ｉｎ2Ｏ3で表されるビックスバイト構造にＧａ元素が置換型固溶していることは、酸化物半導体薄膜中の酸化インジウムのビックスバイト構造の格子定数が、酸化インジウムのみの格子定数より小さくなっていることにより確認できる。
第１の実施形態の一態様の薄膜トランジスタ（以下、本発明の薄膜トランジスタという）は、本発明の酸化物半導体薄膜を含むことを特徴とする。
第１の実施形態の一態様の薄膜トランジスタの形状は、特に限定されないが、バックチャンネルエッチ型トランジスタ、エッチストッパー型トランジスタ、トップゲート型トランジスタ等が好ましい。
第１の実施形態の酸化物半導体薄膜において、イットリウム（Ｙ）元素は、酸素欠損の発生を抑える効果と、酸化物半導体薄膜のバンドギャップを大きくする効果が有る。Ｙ元素の割合［Ｙ／（Ｉｎ＋Ｙ＋Ｇａ）（原子比）］は、０．０２≦Ｙ／（Ｉｎ＋Ｙ＋Ｇａ）≦０．１０であることが好ましい。０．０２未満では、酸素欠損を抑える効果が小さく半導体にならない場合があったり、結晶の格子定数が通常のＩｎ2Ｏ3で表されるビックスバイト結晶相の結晶格子定数より小さくなりすぎたりする。また、０．１０超では、酸素欠損がなくなり絶縁膜となる場合があったり、結晶の格子定数がＩｎ2Ｏ3で表されるビックスバイト結晶相の格子定数より大きくなりすぎたり、ＴＦＴの移動度が小さくなったりする場合がある。より好ましくは、０．０３≦Ｙ／（Ｉｎ＋Ｙ＋Ｇａ）≦０．０９、さらに好ましくは、０．０４≦Ｙ／（Ｉｎ＋Ｙ＋Ｇａ）≦０．０８である。
第１の実施形態の酸化物半導体薄膜において、ガリウム（Ｇａ）元素は、酸素欠損の発生を抑える効果と、酸化物半導体薄膜のバンドギャップを大きくする効果と、半導体薄膜（Ｉｎ2Ｏ3）の格子定数を小さくする効果が有る。Ｇａ元素の割合［Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｙ＋Ｇａ）（原子比）］は、０．０２≦Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｙ＋Ｇａ）≦０．１５であることが好ましい。０．０２未満では、酸素欠損を抑える効果が小さく半導体にならない場合があったり、結晶の格子定数がＩｎ2Ｏ3で表されるビックスバイト結晶相の格子定数より小さくならなかったりする。また、０．１５超では、酸素欠損がなくなり絶縁膜となる場合があったり、結晶化しなくなったり、ＴＦＴの移動度が小さくなったりする場合がある。より好ましくは、０．０２≦Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｙ＋Ｇａ）≦０．１０、さらに好ましくは、０．０３≦Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｙ＋Ｇａ）≦０．０９、よりさらに好ましくは、０．０４≦Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｙ＋Ｇａ）≦０．０８である。
なお、Ｙ元素とＧａ元素は、いずれも酸素欠損の発生を抑える効果と、酸化物半導体薄膜のバンドギャップを大きくする効果が共通するが、両方とも必須である理由は以下の通りである。
Ｇａ元素のイオン半径は、Ｉｎ元素のイオン半径よりもかなり小さいため、Ｇａのみの添加で、Ｉｎ2Ｏ3を結晶化させた場合、ヒューム＝ロザリーの法則により、固溶する範囲は狭く、１２原子％程度になる。また、ＧａにはＩｎ2Ｏ3の格子定数を小さくする効果もある。
Ｙ元素のイオン半径は、Ｉｎ元素のイオン半径より大きい。ただし、ＧａとＩｎのイオン半径の差ほどＹとＩｎのイオン半径の差は大きくない、また、Ｙ酸化物自体もビッグスバイト構造をとる。そのため、Ｙ元素を添加すると、全組成域においてＩｎ2Ｏ3と固溶体を生成する。Ｙ元素の添加量が多くなるほど、Ｙが固溶したＩｎ2Ｏ3の格子定数は大きくなる。
Ｇａ元素とＹ元素の両方を添加して固溶させると、Ｉｎ2Ｏ3結晶の格子定数を小さくするＧａと、大きくするＹの効果が相殺される。そのため、格子定数を大きく変化させることなく、安定して結晶化させることができる。Ｇａ元素の添加量を調整することによりＩｎ2Ｏ3の格子定数を純Ｉｎ2Ｏ3の格子定数より小さくすることができる。格子定数が小さくなると、Ｉｎ－Ｉｎイオン間の距離も小さくなり、ｓ軌道の重なりが大きくなるため、ＴＦＴにした時の移動度が大きくなる。
第１の実施形態の半導体薄膜において、インジウム（Ｉｎ）元素は、半導体薄膜の移動度を担う元素である。Ｉｎの割合［Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｙ＋Ｇａ）（原子比）］は、０．８０≦Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｙ＋Ｇａ）≦０．９６が好ましい。０．８０未満では、酸化インジウムが結晶化しなかったりして半導体薄膜の移動度の低下が起こる場合がある。０．９６以上では、酸素欠損の量が増えすぎて、半導体化せず、導体になる場合がある。より好ましくは、０．８２≦Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｙ＋Ｇａ）≦０．９４、さらに好ましくは、０．８４≦Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｙ＋Ｇａ）≦０．９２である。
特にガリウム（Ｇａ）元素の添加により、半導体薄膜（Ｉｎ2Ｏ3）の格子定数を小さくすることができ、ベースの原料酸化物のみの場合の酸化インジウムの格子定数より小さくすることができる。結晶酸化インジウムの格子定数が小さくなることにより、インジウムイオンの原子間距離は小さくなり、特にＩｎ元素のｓ軌道の重なりが大きくなることにより、移動度が向上する効果を与えていると思われる。
第１の実施形態の一態様の酸化物半導体薄膜は、Ｉｎ2Ｏ3で表されるビックスバイト結晶相の格子定数が１０．０８３×１０-10ｍ以下であることが好ましい。格子定数は、実施例に記載の方法で求めることができる。格子定数の下限値は、通常１０．０２０×１０-10ｍ以上であり、好ましくは１０．０２５×１０-10ｍ以上、より好ましくは１０．０３０×１０-10ｍ以上である。
第１の実施形態の半導体薄膜において、アルミニウム（Ａｌ）元素は、酸素欠損の発生を抑える効果と、酸化物半導体薄膜のバンドギャップを大きくする効果が有る。特にアルミニウムの添加により、絶縁膜形成時のＣＶＤ処理によるキャリヤーの増大を抑え、その後の熱処理で半導体特性を調整する場合に調整しやすくなる効果、具体的には、従来よりも低温の熱処理でもキャリヤー濃度を下げやすくなる効果がある。また、酸化アルミニウム自体は、酸素の拡散係数が低く、ベースの原料酸化物のみの場合よりも酸化インジウム内の酸素の拡散速度を小さくできると考えられる。ＣＶＤ工程で酸化物半導体薄膜内の酸素欠損が増えてキャリヤー濃度が上がり、その酸素欠損をＣＶＤ工程の後の熱処理により酸素欠損を潰してキャリヤーを酸化物半導体の表面から低減する効果がある。これにより、ゲート絶縁膜近傍の酸化物半導体薄膜内部のチャネル部のキャリヤー濃度が高く保たれ、高移動度化を実現しているものと思われる。
よって、酸化インジウムの割合が多い酸化物半導体薄膜の場合、アルミニウム元素の量を比較的多くしないと酸化物半導体薄膜内部のゲート絶縁膜近傍の酸素欠損が全て消失してしまって、高移動度化しなかったりする場合がある。一方、酸化インジウムの割合が少ない酸化物半導体薄膜の場合、アルミニウム元素の量を比較的少なくしないと酸化物半導体薄膜内部のゲート絶縁膜近傍の酸素欠損だけでなく、内部の多くの酸素欠損が残ることになり、半導体化せず導通化したり、閾値電圧（Ｖｔｈ）がマイナスにシフトし、ノーマリーオン状態になる等の不都合を引き起こす場合がある。
例えば、Ｉｎ元素の割合［Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｙ＋Ｇａ）（原子比）］が０．９０以上の場合には、Ａｌ元素の割合［Ａｌ／（Ｉｎ＋Ｙ＋Ｇａ＋Ａｌ）（原子比）］は、０．０２０以上、好ましくは、０．０２５以上が好ましい。上限は０．０７以下であることが好ましい。Ａｌ元素の割合が０．０７超になると酸化インジウムが結晶化しなくなり、高移動度の酸化物半導体薄膜が得られなくなる場合がある。好ましくは０．０６以下である
例えば、Ｉｎ元素の割合［Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｙ＋Ｇａ）（原子比）］が０．９０以下では、Ａｌ元素の割合［Ａｌ／（Ｉｎ＋Ｙ＋Ｇａ＋Ａｌ）（原子比）］は、０．０３０以下、好ましくは、０．０２５以下が好ましい。下限は０．００５以上であることが好ましい。好ましくは、０．０１以上である。
第１の実施形態の一態様の酸化物半導体薄膜は、
Ｉｎ元素、Ｙ元素、およびＧａ元素を下記式（１－７Ａ）から（１－１０Ａ）に規定する範囲の原子比
０．８２≦Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｙ＋Ｇａ）≦０．９４ ・・・（１－７Ａ）
０．０３≦Ｙ ／（Ｉｎ＋Ｙ＋Ｇａ）≦０．０９ ・・・（１－８Ａ）
０．０３≦Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｙ＋Ｇａ）≦０．０９ ・・・（１－９Ａ）
で含有し、
かつ、Ａｌ元素を下記式（１－１０Ａ）に規定する範囲の原子比
０．０１≦Ａｌ／（Ｉｎ＋Ｙ＋Ｇａ＋Ａｌ）≦０．０６ ・・・（１－１０Ａ）
で含有することが好ましい。
第１の実施形態の一態様の酸化物半導体薄膜は、
Ｉｎ元素、Ｙ元素、およびＧａ元素を下記式（１－７Ｂ）から（１－１０Ｂ）に規定する範囲の原子比
０．８４≦Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｙ＋Ｇａ）≦０．９２ ・・・（１－７Ｂ）
０．０４≦Ｙ ／（Ｉｎ＋Ｙ＋Ｇａ）≦０．０８ ・・・（１－８Ｂ）
０．０４≦Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｙ＋Ｇａ）≦０．０８ ・・・（１－９Ｂ）
で含有し、
かつ、Ａｌ元素を下記式（１－１０Ｂ）に規定する範囲の原子比
０．０１≦Ａｌ／（Ｉｎ＋Ｙ＋Ｇａ＋Ａｌ）≦０．０６ ・・・（１－１０Ｂ）
で含有することがより好ましい。
第１の実施形態の一態様の酸化物半導体薄膜は、正四価以上の金属元素Ｘの酸化物を下記式（１－１２）に規定する範囲の原子比で、含有するのが好ましい。
０．００００５≦Ｘ／（Ｉｎ＋Ｙ＋Ｇａ＋Ａｌ＋Ｘ）≦０．００５・・・（１－１２）
（式中、Ｘは、酸化物半導体薄膜中のＸ元素の原子数を示す。）
Ｘ／（Ｉｎ＋Ｙ＋Ｇａ＋Ａｌ＋Ｘ）が、０．００００５以上とすることにより、酸化物半導体薄膜を結晶化させた場合にキャリヤー濃度が下り過ぎ、１０-12/ｃｍ3以下になると移動度が低下したり、絶縁体となり半導体として作動しなくなったりするのを防止できる。Ｘ／（Ｉｎ＋Ｙ＋Ｇａ＋Ａｌ＋Ｘ）が、０．００５以下であることにより、キャリヤーが発生しすぎて、導体化してしまい、ＴＦＴが作動しなくなるのを防止できる。
第１の実施形態の酸化物半導体薄膜の一態様では、正四価以上の金属Ｘの酸化物を下記式（１－１２Ａ）に規定する範囲の原子比で含有するのが好ましい。
０．００００８≦Ｘ／（Ｉｎ＋Ｙ＋Ｇａ＋Ａｌ＋Ｘ）≦０．００３ ・・・（１－１２Ａ）
第１の実施形態の酸化物半導体薄膜の一態様では、正四価以上の金属元素Ｘの酸化物を下記式（１－１２Ｂ）に規定する範囲の原子比で含有するのが、さらに好ましい。
０．０００１≦Ｘ／（Ｉｎ＋Ｙ＋Ｇａ＋Ａｌ＋Ｘ）≦０．００１ ・・・（１－１２Ｂ）
酸化物半導体薄膜中の各金属元素の含有量（原子比）は、ＩＣＰ（Inductive Coupled Plasma）測定またはＸＲＦ（X－ray Fluorescence）測定により、各元素の存在量を測定することで求めることができる。ＩＣＰ測定は誘導プラズマ発光分析装置を用いることができる。ＸＲＦ測定は薄膜蛍光Ｘ線分析装置（ＡＺＸ４００、リガク社製）を用いることができる。
また、セクタ型ダイナミック二次イオン質量分析計ＳＩＭＳ分析を用いても誘導プラズマ発光分析と同等の精度で酸化物半導体薄膜中の各金属元素の含有量（原子比）を分析できる。誘導プラズマ発光分析装置または薄膜蛍光Ｘ線分析装置で測定した金属元素の原子比が既知の標準酸化物薄膜の上面に、ソース・ドレイン電極をＴＦＴ素子と同様の材料をチャネル長で形成したものを標準材料とし、セクタ型ダイナミック二次イオン質量分析計ＳＩＭＳ（ＩＭＳ ７ｆ－Ａｕｔｏ、ＡＭＥＴＥＫ社製）により酸化物半導体層の分析に行い各元素の質量スペクトル強度を得、既知の元素濃度と質量スペクトル強度の検量線を作製する。次に、実ＴＦＴ素子の酸化物半導体薄膜部分を、セクタ型ダイナミック二次イオン質量分析計ＳＩＭＳ分析によるスペクトル強度から、前述の検量線を用いて、原子比を算出すると、算出された原子比は、別途薄膜蛍光Ｘ線分析装置または誘導プラズマ発光分析装置で測定された酸化物半導体薄膜の原子比の２原子％以内であることが確認できる。
上記構成を有することによって、高移動度で、ＣＶＤ等での特性変化の小さい本発明の酸化物半導体薄膜が得られる。
第１の実施形態の酸化物半導体薄膜を用いることによって、高性能な薄膜トランジスタが得られる。
＜薄膜トランジスタ＞
次に、第１の実施形態に係る薄膜トランジスタの構造について説明する。
第１の実施形態に係る薄膜トランジスタは、第１の実施形態に係る酸化物半導体薄膜を備え、トランジスタとして機能するものであれば、特に構造は限定しない。
具体的な薄膜トランジスタの形状としては、バックチャンネルエッチ型トランジスタ、エッチストッパー型トランジスタ、およびトップゲート型トランジスタなどが挙げられる。
具体的な薄膜トランジスタの例を図５および図６に示す。
図５に示すように、薄膜トランジスタ８１０は、シリコンウエハ８２０、ゲート絶縁膜８３０、酸化物半導体薄膜８４０、ソース電極８５０、ドレイン電極８６０、および層間絶縁膜８７０、８７０Ａを備える。
シリコンウエハ８２０はゲート電極である。ゲート絶縁膜８３０はゲート電極と酸化物半導体薄膜８４０の導通を遮断する絶縁膜であり、シリコンウエハ８２０上に設けられる。
酸化物半導体薄膜８４０はチャネル層であり、ゲート絶縁膜８３０上に設けられる。酸化物半導体薄膜８４０は第１の実施形態に係る酸化物半導体薄膜が用いられる。
ソース電極８５０およびドレイン電極８６０は、ソース電流およびドレイン電流を酸化物半導体薄膜８４０に流すための導電端子であり、酸化物半導体薄膜８４０の両端近傍に接触するように、各々設けられる。
層間絶縁膜８７０は、ソース電極８５０およびドレイン電極８６０と、酸化物半導体薄膜８４０の間の接触部分以外の導通を遮断する絶縁膜である。
層間絶縁膜８７０Ａは、ソース電極８５０およびドレイン電極８６０と、酸化物半導体薄膜８４０の間の接触部分以外の導通を遮断する絶縁膜である。層間絶縁膜８７０Ａは、ソース電極５０とドレイン電極８６０の間の導通を遮断する絶縁膜でもある。層間絶縁膜８７０Ａは、チャネル層保護層でもある。
図６に示すように、薄膜トランジスタ８１０Ａの構造は、薄膜トランジスタ８１０と同様であるが、ソース電極８５０およびドレイン電極８６０を、ゲート絶縁膜８３０と酸化物半導体薄膜８４０の両方に接触するように設けている点が異なる。ゲート絶縁膜８３０、酸化物半導体薄膜８４０、ソース電極８５０、およびドレイン電極８６０を覆うように、層間絶縁膜７０Ｂが一体に設けられている点も異なる。
ドレイン電極８６０、ソース電極８５０およびゲート電極を形成する材料に特に制限はなく、一般に用いられている材料を任意に選択することができる。図５および図６で挙げた例では、シリコンウエハを基板として用いており、シリコンウエハが電極としても作用するが、電極材料はシリコンに限定されない。
例えば、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、酸化インジウム亜鉛（ＩＺＯ）、ＺｎＯ、およびＳｎＯ２等の透明電極や、Ａｌ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ａｕ、Ｔｉ、およびＴａ等の金属電極、またはこれらを含む合金の金属電極や積層電極を用いることができる。
また、図５および図６において、ガラス等の基板上にゲート電極を形成してもよい。
層間絶縁膜８７０、８７０Ａ、８７０Ｂを形成する材料にも特に制限はなく、一般に用いられている材料を任意に選択できる。層間絶縁膜８７０、８７０Ａ、８７０Ｂを形成する材料として、具体的には、例えば、ＳｉＯ2、ＳｉＮx、Ａｌ2Ｏ3、Ｔａ2Ｏ5、ＴｉＯ2、ＭｇＯ、ＺｒＯ2、ＣｅＯ2、Ｋ2Ｏ、Ｌｉ2Ｏ、Ｎａ2Ｏ、Ｒｂ2Ｏ、Ｓｃ2Ｏ3、Ｙ2Ｏ3、ＨｆＯ2、ＣａＨｆＯ3、ＰｂＴｉＯ3、ＢａＴａ2Ｏ6、ＳｒＴｉＯ3、Ｓｍ2Ｏ3、およびＡｌＮ等の化合物を用いることができる。
第１の実施形態に係る薄膜トランジスタがバックチャネルエッチ型(ボトムゲート型)の場合、ドレイン電極、ソース電極およびチャネル層上に保護膜を設けることが好ましい。保護膜を設けることにより、ＴＦＴの長時間駆動した場合でも耐久性が向上しやすくなる。なお、トップゲート型のＴＦＴの場合、例えばチャネル層上にゲート絶縁膜を形成した構造となる。
保護膜または絶縁膜は、例えばＣＶＤにより形成することができるが、その際に高温度によるプロセスになる場合がある。また、保護膜または絶縁膜は、成膜直後は不純物ガスを含有していることが多く、加熱処理（アニール処理）を行うことが好ましい。加熱処理で不純物ガスを取り除くことにより、安定した保護膜または絶縁膜となり、耐久性の高いＴＦＴ素子を形成しやすくなる。
第１の実施形態に係る酸化物半導体薄膜を用いることにより、ＣＶＤプロセスにおける温度の影響、およびその後の加熱処理による影響を受けにくくなるため、保護膜または絶縁膜を形成した場合であっても、ＴＦＴ特性の安定性を向上させることができる。
薄膜トランジスタは、以下の特性を有するのが好ましい。
薄膜トランジスタの移動度は１．０ｃｍ2／Ｖ・ｓ以上、が好ましい。１．０ｃｍ2／Ｖ・ｓ以上とすることにより、液晶ディスプレイを駆動できる。
飽和移動度は、ドレイン電圧を２０Ｖ印加した場合の伝達特性から求められる。具体的に、伝達特性Ｉｄ－Ｖｇのグラフを作成し、各Ｖｇのトランスコンダクタンス（Ｇｍ）を算出し、飽和領域の式により飽和移動度を求めることにより、算出できる。Ｉｄはソース・ドレイン電極間の電流、Ｖｇはソース・ドレイン電極間に電圧Ｖｄを印加したときのゲート電圧である。
閾値電圧（Ｖｔｈ）は、－３．０Ｖ以上、３．０Ｖ以下が好ましく、－２．０Ｖ以上、２．０Ｖ以下がより好ましく、－１．０Ｖ以上、１．０Ｖ以下がさらに好ましい。閾値電圧（Ｖｔｈ）が－３．０Ｖ以上であると、高移動度の薄膜トランジスタができる。閾値電圧（Ｖｔｈ）が３．０Ｖ以下であると、オフ電流が小さく、オンオフ比の大きな薄膜トランジスタができる。
閾値電圧（Ｖｔｈ）は、伝達特性のグラフよりＩｄ＝１０-9ＡでのＶｇで定義できる。
ｏｎ－ｏｆｆ比は１０6以上、１０12以下が好ましく、１０7以上、１０11以下がより好ましく、１０8以上、１０10以下がさらに好ましい。ｏｎ－ｏｆｆ比が１０6以上であると、液晶ディスプレイの駆動ができる。ｏｎ－ｏｆｆ比が１０12以下であると、コントラストの大きな有機ＥＬの駆動ができる。また、オフ電流を１０-12Ａ以下にでき、ＣＭＯＳイメージセンサーの転送トランジスタやリセットトランジスタに用いた場合、画像の保持時間を長くしたり、感度を向上させたりできる。
ｏｎ－ｏｆｆ比は、Ｖｇ＝－１０ＶのＩｄの値をＯｆｆ電流値とし、Ｖｇ＝２０ＶのＩｄの値をＯｎ電流値として、比［Ｏｎ電流値／Ｏｆｆ電流値］を決めることにより、求められる。
Ｏｆｆ電流値は、１０-10Ａ以下が好ましく、１０-11Ａ以下がより好ましく、１０-12Ａ以下がさらに好ましい。Ｏｆｆ電流値が１０-10Ａ以下であると、コントラストの大きな有機ＥＬの駆動ができる。また、ＣＭＯＳイメージセンサーの転送トランジスタやリセットトランジスタに用いた場合、画像の保持時間を長くしたり、感度を向上させたりできる。
薄膜トランジスタの半導体層に用いられる、第１の実施形態に係る酸化物半導体薄膜の欠陥密度が、５．０×１０16ｃｍ-3以下が好ましく、１．０×１０16ｃｍ-3以下がより好ましい。欠陥密度の減少により、薄膜トランジスタの移動度がさらに高くなり、光照射時の安定性、熱に対する安定性が高くなり、ＴＦＴが安定して作動するようになる。
＜量子トンネル電界効果トランジスタ＞
第１の実施形態に係る酸化物半導体薄膜は、量子トンネル電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）に用いることもできる。
図７に、第１の実施形態に係る、量子トンネル電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）の模式図（縦断面図）を示す。
量子トンネル電界効果トランジスタ５０１は、ｐ型半導体層５０３、ｎ型半導体層５０７、ゲート絶縁膜５０９、ゲート電極５１１、ソース電極５１３、およびドレイン電極５１５を備える。
ｐ型半導体層５０３、ｎ型半導体層５０７、ゲート絶縁膜５０９、およびゲート電極５１１は、この順番に積層されている。
ソース電極５１３は、ｐ型半導体層５０３上に設けられる。ドレイン電極５１５はｎ型半導体層５０７上に設けられる。
ｐ型半導体層５０３は、ｐ型のＩＶ族半導体層であり、ここではｐ型シリコン層である。
ｎ型半導体層５０７は、ここでは第１の実施形態に係る、ｎ型の酸化物半導体薄膜である。ソース電極５１３およびドレイン電極５１５は導電膜である。
図７では図示していないが、ｐ型半導体層５０３上には絶縁層が形成されてもよい。この場合、ｐ型半導体層５０３とｎ型半導体層５０７は、絶縁層を部分的に開口した領域であるコンタクトホールを介して接続されている。図７では図示していないが、量子トンネル電界効果トランジスタ５０１は、その上面を覆う層間絶縁膜を備えてもよい。
量子トンネル電界効果トランジスタ５０１は、ｐ型半導体層５０３とｎ型半導体層５０７により形成されたエネルギー障壁をトンネリングする電流を、ゲート電極５１１の電圧により制御する、電流のスイッチングを行う量子トンネル電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）である。この構造では、ｎ型半導体層５０７を構成する酸化物半導体のバンドギャップが大きくなり、オフ電流を小さくすることができる。
図８に、第１の実施形態の他の態様に係る量子トンネル電界効果トランジスタ５０１Ａの模式図（縦断面図）を示す。
量子トンネル電界効果トランジスタ５０１Ａの構成は、量子トンネル電界効果トランジスタ５０１と同様であるが、ｐ型半導体層５０３とｎ型半導体層５０７の間に酸化シリコン層５０５が形成されている点が異なる。酸化シリコン層が有ることにより、オフ電流を小さくできる。
酸化シリコン層５０５の厚みは、１０ｎｍ以下であるのが好ましい。１０ｎｍ以下とすることにより、トンネル電流が流れなかったり、形成されるエネルギー障壁が形成しにくかったり障壁高さが変化したりするのを防止でき、トンネリング電流が低下したり、変化したりするのを防げる。好ましくは、８ｎｍ以下、より好ましくは５ｎｍ以下、さらに好ましくは３ｎｍ以下、さらにより好ましくは１ｎｍ以下である。
図９にｐ型半導体層５０３とｎ型半導体層５０７の間に酸化シリコン層５０５が形成された部分のＴＥＭ写真を示す。
量子トンネル電界効果トランジスタ５０１および５０１Ａも、ｎ型半導体層５０７はｎ型酸化物半導体である。
ｎ型半導体層５０７を構成する酸化物半導体は、非晶質でもよい。非晶質であることにより、蓚酸などの有機酸でエッチング可能となり、他の層とのエッチング速度の差が大きくなり、配線などの金属層への影響もなく、良好にエッチングできる。
ｎ型半導体層５０７を構成する酸化物半導体は、結晶質でもよい。結晶質であることにより、非晶質の場合よりもバンドギャップが大きくなり、オフ電流を小さくできる。仕事関数も大きくできることから、ｐ型のＩＶ族半導体材料とｎ型半導体層５０７により形成されるエネルギー障壁をトンネリングする電流を制御しやすくなる。
量子トンネル電界効果トランジスタ５０１の製造方法は、特に限定しないが、以下の方法を例示できる。
まず、図１０に示すように、ｐ型半導体層５０３上に絶縁膜５０５Ａを形成し、絶縁膜５０５Ａの一部をエッチング等で開口してコンタクトホール５０５Ｂを形成する。
次に、図１１に示すように、ｐ型半導体層５０３および絶縁膜５０５Ａ上にｎ型半導体層５０７を形成する。この際、コンタクトホール５０５Ｂを介してｐ型半導体層５０３とｎ型半導体層５０７を接続する。
次に、図１２に示すように、ｎ型半導体層５０７上に、ゲート絶縁膜５０９およびゲート電極５１１をこの順番に形成する。
次に、図１３に示すように、絶縁膜５０５Ａ、ｎ型半導体層５０７、ゲート絶縁膜５０９およびゲート電極５１１を覆うように、層間絶縁膜５１９を設ける。
次に、図１４に示すように、ｐ型半導体層５０３上の絶縁膜５０５Ａおよび層間絶縁膜５１９の一部を開口してコンタクトホール５１９Ａを形成し、コンタクトホール５１９Ａにソース電極５１３を設ける。
さらに、図１４に示すように、ｎ型半導体層５０７上のゲート絶縁膜５０９および層間絶縁膜５１９の一部を開口してコンタクトホール５１９Ｂを形成し、コンタクトホール５１９Ｂにドレイン電極５１５を形成する。
以上の手順で量子トンネル電界効果トランジスタ５０１を製造できる。
なお、ｐ型半導体層５０３上にｎ型半導体層５０７を形成した後で、１５０℃以上、６００℃以下の温度で熱処理を行うことで、ｐ型半導体層５０３とｎ型半導体層５０７の間に酸化シリコン層５０５を形成できる。この工程を追加することにより、量子トンネル電界効果トランジスタ５０１Ａを製造できる。
＜薄膜トランジスタの用途＞
第１の実施形態に係る薄膜トランジスタは、電界効果型トランジスタ、論理回路、メモリ回路、および差動増幅回路等の各種の集積回路にも適用でき、それらを電子機器等に適用することができる。さらに、第１の実施形態に係る薄膜トランジスタは、電界効果型トランジスタ以外にも静電誘起型トランジスタ、ショットキー障壁型トランジスタ、ショットキーダイオード、および抵抗素子にも適応できる。
第１の実施形態に係る薄膜トランジスタは、表示装置および固体撮像素子等に好適に用いることができる。
以下、第１の実施形態に係る薄膜トランジスタを表示装置および固体撮像素子に用いる場合について、説明する。
まず、第１の実施形態に係る薄膜トランジスタを電子機器としての表示装置に用いる場合について、図１５～１７を参照して説明する。
図１５は、本発明の一態様の表示装置の上面図である。図１６は、第１の実施形態の一態様の表示装置の画素部に、液晶素子を適用する場合の画素部の回路を説明するための回路図である。また、図１７は、第１の実施形態の一態様の表示装置の画素部に、有機ＥＬ素子を適用する場合の画素部の回路を説明するための回路図である。
画素部に配置するトランジスタは、第１の実施形態に係る薄膜トランジスタを用いることができる。第１の実施形態に係る薄膜トランジスタはｎチャネル型とすることが容易なので、ｎチャネル型トランジスタで構成できる駆動回路の一部を、画素部のトランジスタと同一基板上に形成する。画素部や駆動回路に第１の実施形態に示す薄膜トランジスタを用いることにより、信頼性の高い表示装置を提供できる。
アクティブマトリクス型表示装置の上面図の一例を図１５に示す。表示装置の基板３００上には、画素部３０１、第１の走査線駆動回路３０２、第２の走査線駆動回路３０３、信号線駆動回路３０４が形成される。画素部３０１には、複数の信号線が信号線駆動回路３０４から延伸して配置され、複数の走査線が第１の走査線駆動回路３０２、および第２の走査線駆動回路３０３から延伸して配置される。走査線と信号線との交差領域には、各々、表示素子を有する画素がマトリクス状に設けられる。表示装置の基板３００は、ＦＰＣ（Flexible Printed Circuit）等の接続部を介して、タイミング制御回路（コントローラ、制御ＩＣともいう）に接続される。
図１５では、第１の走査線駆動回路３０２、第２の走査線駆動回路３０３、信号線駆動回路３０４は、画素部３０１と同じ基板３００上に形成される。そのため、外部に設ける駆動回路等の部品の数が減るので、コストの低減を図ることができる。また、基板３００外部に駆動回路を設けた場合、配線を延伸させる必要が生じ、配線間の接続数が増える。同じ基板３００上に駆動回路を設けた場合、その配線間の接続数を減らすことができ、信頼性の向上、または歩留まりの向上を図ることができる。
また、画素の回路構成の一例を図１６に示す。ここでは、ＶＡ型液晶表示装置の画素部に適用することができる画素部の回路を示す。
この画素部の回路は、一つの画素に複数の画素電極を有する構成に適用できる。それぞれの画素電極は異なるトランジスタに接続され、各トランジスタは異なるゲート信号で駆動できるように構成されている。これにより、マルチドメイン設計された画素の個々の画素電極に印加する信号を、独立して制御できる。
トランジスタ３１６のゲート配線３１２と、トランジスタ３１７のゲート配線３１３には、異なるゲート信号を与えられるように分離されている。一方、データ線として機能するソース電極またはドレイン電極３１４は、トランジスタ３１６とトランジスタ３１７で共通に用いられる。トランジスタ３１６とトランジスタ３１７は、第１の実施形態に係るトランジスタを用いることができる。これにより、信頼性の高い液晶表示装置を提供できる。
トランジスタ３１６には、第１の画素電極が電気的に接続され、トランジスタ３１７には、第２の画素電極が電気的に接続される。第１の画素電極と第２の画素電極とは分離されている。第１の画素電極と第２の画素電極の形状は、特に限定しない。例えば、第１の画素電極は、Ｖ字状とすればよい。
トランジスタ３１６のゲート電極はゲート配線３１２と接続され、トランジスタ３１７のゲート電極はゲート配線３１３と接続されている。ゲート配線３１２とゲート配線３１３に異なるゲート信号を与えて、トランジスタ３１６とトランジスタ３１７の動作タイミングを異ならせ、液晶の配向を制御できる。
また、容量配線３１０と、誘電体として機能するゲート絶縁膜と、第１の画素電極または第２の画素電極と電気的に接続する容量電極とで、保持容量を形成してもよい。
マルチドメイン構造は、一画素に第１の液晶素子３１８と第２の液晶素子３１９を備える。第１の液晶素子３１８は第１の画素電極と対向電極とその間の液晶層とで構成され、第２の液晶素子３１９は第２の画素電極と対向電極とその間の液晶層とで構成される。
画素部は、図１６に示す構成に限定されない。図１６に示す画素部にスイッチ、抵抗素子、容量素子、トランジスタ、センサー、または論理回路を追加してもよい。
画素の回路構成の他の一例を図１７に示す。ここでは、有機ＥＬ素子を用いた表示装置の画素部の構造を示す。
図１７は、適用可能な画素部３２０の回路の一例を示す図である。ここではｎチャネル型のトランジスタを１つの画素に２つ用いる例を示す。第１の実施形態の酸化物半導体薄膜は、ｎチャネル型のトランジスタのチャネル形成領域に用いることができる。当該画素部の回路は、デジタル時間階調駆動を適用できる。
スイッチング用トランジスタ３２１および駆動用トランジスタ３２２は、第１の実施形態に係る薄膜トランジスタを用いることができる。これにより、信頼性の高い有機ＥＬ表示装置を提供することができる。
画素部の回路の構成は、図１７に示す構成に限定されない。図１７に示す画素部の回路にスイッチ、抵抗素子、容量素子、センサー、トランジスタまたは論理回路を追加してもよい。
以上が第１の実施形態に係る薄膜トランジスタを表示装置に用いる場合の説明である。
次に、第１の実施形態に係る薄膜トランジスタを固体撮像素子に用いる場合について、図１８を参照して説明する。
ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）イメージセンサーは、信号電荷蓄積部に電位を保持し、その電位を、増幅トランジスタを介して、垂直出力線に出力する固体撮像素子である。ＣＭＯＳイメージセンサーに含まれるリセットトランジスタ、および／または転送トランジスタにリーク電流があると、そのリーク電流によって充電または放電が起こり、信号電荷蓄積部の電位が変化する。信号電荷蓄積部の電位が変化すると、増幅トランジスタの電位も変わってしまい、本来の電位からずれた値となり、撮像された映像が劣化してしまう。
第１の実施形態に係る薄膜トランジスタをＣＭＯＳイメージセンサーのリセットトランジスタ、および転送トランジスタに適用した場合の動作の効果を説明する。増幅トランジスタは、薄膜トランジスタまたはバルクトランジスタのどちらを適用しても良い。
図１８は、ＣＭＯＳイメージセンサーの画素構成の一例を示す図である。画素は光電変換素子であるフォトダイオード１０、転送トランジスタ１、リセットトランジスタ２０、増幅トランジスタ３０および各種配線で構成されており、マトリクス状に複数が配置されてセンサーを構成する。増幅トランジスタ３０と電気的に接続される選択トランジスタを設けても良い。トランジスタ記号に記してある「ＯＳ」は酸化物半導体（Oxide Semiconductor）を、「Ｓｉ」はシリコンを示しており、それぞれのトランジスタに適用すると好ましい材料を表している。以降の図面についても同様である。
フォトダイオード１０は、転送トランジスタ１のソース側に接続されており、転送トランジスタ１のドレイン側には信号電荷蓄積部１５（ＦＤ：フローティングディフュージョンとも呼ぶ）が形成される。信号電荷蓄積部１５にはリセットトランジスタ２０のソース、および増幅トランジスタ３０のゲートが接続されている。別の構成として、リセット電源線３１１０を削除することもできる。例えば、リセットトランジスタ２０のドレインをリセット電源線３１１０ではなく、電源線ＶＤＤまたは垂直出力線３１２０につなぐ方法がある。
なお、また、フォトダイオード１０に本発明の酸化物半導体薄膜を用いても良く、転送トランジスタ１、リセットトランジスタ２０に用いられる酸化物半導体薄膜と同じ材料を用いてよい。
以上が、第１の実施形態に係る薄膜トランジスタを固体撮像素子に用いる場合の説明である。
次に、第２の実施形態について説明する。
まず、第２の実施形態の概要について、簡単に説明する。
特許文献１に記載のように、Ｓｃ、Ｙ、Ｌａ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、およびＬｕからなる群から選ばれる一以上の元素Ａと、ＡｌおよびＧａからなる群から選ばれる一以上の元素Ｂと、Ｉｎを含む酸化物焼結体が、Ｉｎ2Ｏ3で構成されるビックスバイト結晶相と、Ａ3Ｂ5Ｏ12結晶相を有する場合があることは公知である。
これに対して本発明者らは、ＩｎＧａＡｌＹｂ系、ＩｎＳｎＧａＡｌＹｂ系の酸化物焼結体の結晶構造を確認したところ、Ｉｎ２Ｏ３で表されるビックスバイト結晶相と、Ｙｂ３Ｇａ５Ｏ１２とＹｂ３Ａｌ５Ｏ１２（Ａ3Ｂ5Ｏ12結晶相）のどちらでもない新規なガーネット化合物が生成する場合があることを確認した。
このガーネット化合物の正確な構造式については不明である。しかしながら、本発明者らは、このガーネット化合物の格子定数がＹｂ３Ｇａ５Ｏ１２の格子定数とＹｂ３Ａｌ５Ｏ１２の格子定数との間にあることを確認したため、構造式は、Ｙｂ３（Ｇａ ５－ＸＡｌＸ）Ｏ１２(０＜Ｘ＜５)で表すことができる。
また、本発明者らは、このガーネット化合物が生成した酸化物焼結体をターゲットとして用いてスパッタリングを行った所、クラックが発生し難いことを確認した。
以上が第２の実施形態の概要である。
次に、第２の実施形態の詳細について説明する。
＜ガーネット化合物＞
まず、第２の実施形態に係るガーネット化合物について、説明する。
第２の実施形態の第１の態様に係るガーネット化合物は、
一般式（Ｉ）：
Ｌｎ３（Ｇａ５－ＸＡｌＸ）Ｏ１２ （Ｉ）
（式中、Ｌｎは、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、ＹｂおよびＬｕから選ばれた一種以上の金属元素を表す。Ｘは、０＜Ｘ＜５である。）で表されることを特徴とする。
第２の実施形態の第２の態様に係るガーネット化合物は、
一般式（Ｉ）：
Ｌｎ３（Ｇａ５－ＸＡｌＸ）Ｏ１２ （Ｉ）
（式中、Ｌｎは、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、ＹｂおよびＬｕから選ばれた一種以上の金属元素を表す。Ｘは、０＜Ｘ＜５である。）で表され、格子定数が、１１．９３×１０-10ｍ以上、１２．２０×１０-10ｍ以下であることを特徴とする。
第１および第２の態様の条件を満たすことにより、ターゲットに用いた場合にクラックが発生し難い。
第１および第２の態様において、ＬｎはＹｂ元素であるのが好ましい。Ｙｂは天然の存在量がＬｎの中では多く、天然資源として豊富に存在するためである。
ガーネット化合物は、Ｌｎ、Ｇａ、Ａｌの酸化物を焼結することにより、得られる。
以上が、第２の実施形態に係るガーネット化合物の説明である。
＜酸化物焼結体＞
次に、第２の実施形態に係る酸化物焼結体について、説明する。
第２の実施形態の第１の態様に係る酸化物焼結体は、
一般式（Ｉ）：
Ｌｎ３（Ｇａ５－ＸＡｌＸ）Ｏ１２ （Ｉ）
（式中、Ｌｎは、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、ＹｂおよびＬｕから選ばれた一種以上の金属元素を表す。Ｘは、０＜Ｘ＜５である。）で表されるガーネット結晶相を含むことを特徴とする。
第２の実施形態の第２の態様に係る酸化物焼結体は、
Ｉｎ元素、Ｇａ元素、Ａｌ元素およびＬｎ元素を含み、格子定数が、１１．９３×１０-10ｍ以上、１２．２０×１０-10ｍ以下のガーネット結晶相を含むことを特徴とする。
（ただし、Ｌｎは、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、ＹｂおよびＬｕから選ばれた一種以上の金属元素を表す。）
第１および第２の態様の条件を満たすことにより、酸化物焼結体をターゲットに用いた場合に、スパッタリングの際にクラックが発生し難い。
第２の実施形態の第１および第２の態様ではＬｎが、Ｙｂ元素であるのが好ましい。理由は第１および第２の態様のガーネット化合物と同様である。
第２の実施形態の第３の態様に係る酸化物焼結体は、
一般式（Ｉ）：
Ｌｎ３（Ｇａ５－ＸＡｌＸ）Ｏ１２ （Ｉ）
（式中、Ｌｎは、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、ＹｂおよびＬｕから選ばれた一種以上の金属元素を表す。Ｘは、０＜Ｘ＜５である。）で表されるガーネット結晶相と、Ｉｎ２Ｏ３で表されるビックスバイト結晶相を含む。
第２の実施形態の第４の態様に係る酸化物焼結体は、
Ｉｎ元素、Ｇａ元素、Ａｌ元素およびＬｎ元素を含み、格子定数が、１１．９３×１０-10ｍ以上、１２．２０×１０-10ｍ以下であるガーネット結晶相、およびＩｎ2Ｏ3で表されるビックスバイト結晶相を含むことを特徴とする。
（ただし、Ｌｎは、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、ＹｂおよびＬｕから選ばれた一種以上の金属元素を表す。）
ガーネット結晶層を含むことにより、酸化物焼結体をターゲットに用いた場合に、スパッタリングの際にクラックが発生し難い。
焼結体がビックスバイト結晶相を含むことにより、当該焼結体をターゲットとしてスパッタリングにより生成された酸化物半導体薄膜の膜密度が向上する。
第２の実施形態の第３および第４の態様ではＬｎが、Ｙｂ元素であるのが好ましい。理由は第１および第２の態様のガーネット化合物と同様である。
ガーネット化合物を含む酸化物焼結体は、Ｌｎ、Ｇａ、Ａｌの酸化物を焼結することにより、得られる。
得られるガーネット化合物の結晶相は、焼結原料の組成により変化する。
例えば、酸化インジウム、酸化アルミニウム、酸化ガリウムおよび、酸化ランタノイドとして酸化イッテルビウムを原料とした場合、Ｉｎ２Ｏ３で表されるビックスバイト結晶相と、Ｙｂ３Ｇａ５Ｏ１２結晶相およびまたはＹｂ３Ａｌ５Ｏ１２結晶相と異なるガーネット結晶相が出現し、ガーネット結晶相は、一般式
Ｙｂ３（Ｇａ５－ＸＡｌＸ）Ｏ１２ （Ｉ‘）
（式中 Ｘは、０＜Ｘ＜５である。）であるガーネット化合物を含む酸化物焼結体として得られる。
第２の実施形態の第５の態様に係る酸化物焼結体は、
Ｉｎ元素、Ｇａ元素、およびＬｎ元素を含み、各元素の原子比が下記の式（２－１）から（２－３）を満たす。
０．７５≦Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｌｎ）≦０．９６・・・（２－１）
０．０３≦Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｌｎ）≦０．１０・・・（２－２）
０．０１≦Ｌｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｌｎ）≦０．１５・・・（２－３）
（式中、Ｉｎ、Ｇａ、Ｌｎは、それぞれ酸化物焼結体中のＩｎ元素、Ｇａ元素およびＬｎ元素の原子数を示す。また、Ｌｎは、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、ＹｂおよびＬｕから選ばれた一種以上の金属元素を表す。）
式（２－１）から（２－３）を満たす範囲でＩｎ、Ｇａ、およびＬｎを含有することにより、この焼結体をターゲットとして製造した酸化物半導体薄膜が、高移動度で、ＣＶＤ等での特性変化の小さい半導体薄膜になる。
好ましくは、各元素の原子比が下記の式（２－１Ａ）から（２－３Ａ）を満たす。
０．８０≦Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｌｎ）≦０．９６・・・（２－１Ａ）
０．０５≦Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｌｎ）≦０．０８・・・（２－２Ａ）
０．０３≦Ｌｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｌｎ）≦０．１５・・・（２－３Ａ）
第５の態様に係る酸化物焼結体は、酸化物焼結体がＹｂ３Ｇａ５Ｏ１２で表されるガーネット結晶相、および、Ｉｎ２Ｏ３で表されるビックスバイト結晶相を含むことが好ましい。
ガーネット結晶相を含むことにより、酸化物焼結体をターゲットに用いた場合に、スパッタリングの際にクラックが発生し難い。
ビックスバイト結晶相を含むことにより、当該焼結体をターゲットとしてスパッタリングにより生成された酸化物半導体薄膜の膜密度が向上する。
第２の実施形態の第６の態様に係る酸化物焼結体は、
Ｉｎ元素、Ｇａ元素、Ｌｎ元素およびＡｌ元素を含み、各元素の原子比が下記の式（２－４）から（２－７）を満たす。
０．７０≦Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｌｎ＋Ａｌ）≦０．９５・・・（２－４）
０．０３≦Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｌｎ＋Ａｌ）≦０．１０・・・（２－５）
０．０１≦Ｌｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｌｎ＋Ａｌ）≦０．１０・・・（２－６）
０．０１≦Ａｌ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｌｎ＋Ａｌ）≦０．１０・・・（２－７）
（式中、Ｉｎ、Ｇａ、Ｌｎ、Ａｌは、それぞれ酸化物焼結体中のＩｎ元素、Ｇａ元素、Ｌｎ元素およびＡｌ元素の原子数を示す。また、Ｌｎは、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、ＹｂおよびＬｕから選ばれた一種以上の金属元素を表す。）
式（２－４）から（２－６）を満たすことにより、この焼結体をターゲットとして製造した酸化物半導体薄膜が、高移動度で、ＣＶＤ等での特性変化の小さい半導体薄膜になる。
式（２－７）を満たすことにより、焼結体のバルク抵抗を下げることができる。
第６の態様に係る酸化物焼結体は、好ましくは、各元素の原子比が下記の式（２－４Ａ）から（２－７Ａ）を満たす。
０．７６≦Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｌｎ＋Ａｌ）≦０．９０・・・（２－４Ａ）
０．０５≦Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｌｎ＋Ａｌ）≦０．０８・・・（２－５Ａ）
０．０３≦Ｌｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｌｎ＋Ａｌ）≦０．０８・・・（２－６Ａ）
０．０２≦Ａｌ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｌｎ＋Ａｌ）≦０．０８・・・（２－７Ａ）
第２の実施形態の第６の態様に係る酸化物焼結体は、Ｓｎ元素を１００～１００００ｐｐｍ含んでもよい。
Ｓｎ元素を含むことにより、焼結体のバルク抵抗を低減でき、スパッタ中のプラズマによる加熱によるターゲットの割れを防止できる。
第６の態様に係る酸化物焼結体は、好ましくは、一般式（Ｉ）で表されるガーネット結晶相、および、Ｉｎ２Ｏ３で表されるビックスバイト結晶相を含む、
Ｌｎ３（Ｇａ５－ＸＡｌＸ）Ｏ１２・・・一般式（Ｉ）
（式中、Ｘは、０＜Ｘ＜５である。）
理由は第３または第４の態様の酸化物焼結体と同じである。
なお、第２の実施形態の酸化物焼結体の組成の測定方法は、第１の実施形態と同様であるため、説明を省略する。
以上が、第２の実施形態に係る酸化物焼結体の説明である。
次に、第２の実施形態の酸化物焼結体の製造方法について説明する。
第２の実施形態に係る酸化物焼結体が製造できるものであれば、製造方法は特に限定しないが、第１の実施形態と同様に、以下の（ａ）から（ｃ）の工程を含む製法を例示できる。
（ａ）原料化合物粉末を混合して混合物を調製する工程。
（ｂ）混合物を成型して成型体を調製する工程。
（ｃ）成型体を焼結する工程。
（１）工程（ａ）：配合工程
配合工程は、酸化物焼結体の原料を混合する工程である。
原料としては、Ｉｎ化合物の粉末、Ｇａ化合物の粉末、Ｌｎ化合物の粉末、および必要に応じてＡｌ化合物の粉末を用いる。化合物としては、例えば、酸化物、および水酸化物が挙げられる。焼結のしやすさ、副生成物の残存のし難さから、いずれも酸化物が好ましい。
なお、原料として酸化インジウム、酸化ガリウム、酸化イッテルビウムを用いる場合、Ｉｎ２Ｏ３で表されるビックスバイト結晶相を含む酸化物焼結体として得られる。この場合、酸化ガリウムおよび酸化イッテルビウムは、Ｉｎ２Ｏ３で表されるビックスバイト結晶相に固溶している物と考えられる。酸化インジウム、酸化ガリウム、酸化イッテルビウムにおいて、酸化ガリウム、酸化イッテルビウムの添加量を増量して行くと、Ｙｂ３Ｇａ５Ｏ１２で表されるガーネット結晶相を有する酸化物焼結体が得られる。
原料の純度は、通常２Ｎ（９９質量％）以上、好ましくは３Ｎ（９９．９質量％）以上、特に好ましくは４Ｎ（９９．９９質量％）以上である。純度が２Ｎ以上であることにより、酸化物焼結体の耐久性が確保でき、液晶ディスプレイに用いた際に不純物が酸化物半導体膜中に偏析することや、不純物がゲート絶縁膜や層間絶縁膜中に入り、酸化物半導体が作動しなくなり焼き付けが起こる可能性を低減できる。
原料粉末の平均粒径は、好ましくは０．１μｍ以上、２μｍ以下であり、より好ましくは０．５μｍ以上、１．５μｍ以下である。原料粉末の平均粒径はレーザー回折式粒度分布装置等で測定することができる。
原料の混合、成型方法は特に限定されず、公知の方法を用いて行うことができる。また、混合する際にはバインダーを原料混合物に添加してもよい。
原料の混合は、例えば、ボールミル、ビーズミル、ジェットミルまたは超音波装置等の公知の装置を用いて行うことができる。粉砕時間等の条件は、適宜調整すればよいが、６時間以上、１００時間以下が好ましい。
（２）工程（ｂ）：成型工程
成型工程は、原料混合物（上記仮焼工程を設けた場合には仮焼物）を加圧成型して成型体とする工程である。この工程により、ターゲットとして好適な形状に成型する。仮焼工程を設けた場合には、得られた仮焼物の微粉末を造粒した後、プレス成型により所望の形状に成型することができる。
成型体の平均厚みは５．５ｍｍ以上が好ましく、６ｍｍ以上がより好ましく、８ｍｍ以上がさらに好ましく、１２ｍｍ以上が特に好ましい。５．５ｍｍ以上だと、成型体の厚さ方向の温度勾配が減少し、表面と深部の結晶型の組合せの変動が生じにくくなることが期待できる。
本工程で用いることができる成型処理としては、例えば、プレス成型（一軸プレス）、金型成型、鋳込み成型、および射出成型等も挙げられる。焼結密度の高い焼結体（ターゲット）を得るためには、冷間静水圧（ＣＩＰ）等で成型するのが好ましい。
また、プレス成型（一軸プレス）後に、冷間静水圧（ＣＩＰ）、または熱間静水圧（ＨＩＰ）等で成型するように、２段階以上の成型工程を設けてもよい。
冷間静水圧、または静水圧加圧装置を用いる場合、面圧７８．５ＭＰａ（８００ｋｇｆ／ｃｍ2をＳＩ単位に換算）以上、３９２．４ＭＰａ（４０００ｋｇｆ／ｃｍ2をＳＩ単位に換算）以下で０．５分以上、６０分以下保持することが好ましい。面圧１９６．２ＭＰａ以上、２９４．３ＭＰａ以下で、２分以上、３０分以下保持することがより好ましい。前記範囲内であると、成型体内部の組成むら等が減り、均一化されることが期待される。面圧を７８．５ＭＰａ以上とすることによりで、焼結後の密度が低くなり、抵抗も低くなる。面圧３９２．４ＭＰａ以下とすることにより、装置を大型化せずに成型できる。保持時間が０．５分以上であると、焼結後の密度と抵抗が高くなるのを防止できる。６０分以下であると時間が掛かりすぎ不経済となるのを防げる。
成型処理では、ポリビニルアルコールやメチルセルロース、ポリワックス、オレイン酸等の成型助剤を用いてもよい。
（３）工程（ｃ）：焼結工程
焼結工程は、上記成型工程で得られた成型体を焼成する必須の工程である。
焼結温度は好ましくは１２００℃以上、１６５０℃以下、より好ましくは１３５０℃以上、１６００℃以下、さらに好ましくは１４００℃以上、１６００℃以下、よりさらに好ましくは１４５０℃以上、１６００℃以下である。
焼結時間は好ましくは１０時間以上、５０時間以下、より好ましくは１２時間以上、４０時間以下、さらに好ましくは１３時間以上、３０時間以下である。
焼結温度が１２００℃以上、焼結時間が１０時間以上であると、焼結が十分進行し、ターゲットの電気抵抗が十分下がり、異常放電が生じ難くなる。焼成温度が１６５０℃以下、焼成時間が５０時間以下であると、著しい結晶粒成長により平均結晶粒径の増大や、粗大空孔の発生を防ぐことができ、焼結体強度の低下や異常放電が生じ難くなる。
常圧焼結法では、成型体を大気雰囲気、または酸素ガス雰囲気にて焼結する。酸素ガス雰囲気は、酸素濃度が、例えば２０体積％以上、８０体積％以下の雰囲気であることが好ましい。昇温過程を酸素ガス雰囲気とすることで、焼結体密度を高くすることができる。
さらに、焼結に際しての昇温速度は、８００℃から焼結温度までを０．１℃／分以上、２℃／分以下とすることが好ましい。
第２の実施形態にかかる焼結体において８００℃から上の温度範囲は、焼結が最も進行する範囲である。この温度範囲での昇温速度が０．１℃／分以上であると、過度な結晶粒成長を抑制でき、高密度化を達成できる。昇温速度が２℃／分以下であることにより、成型体に温度分布が生じ、焼結体が反ったり割れたりするのを抑制できる。
８００℃から焼結温度における昇温速度は、好ましくは０．５℃／分以上、２．０℃／分以下、より好ましくは１．０℃／分以上、１．８℃／分以下である。
＜スパッタリングターゲット＞
次に、第２の実施形態に係るスパッタリングターゲットについて説明する。
第２の実施形態に係るガーネット化合物、および当該ガーネット化合物を含む酸化物焼結体は、研削加工され、バッキングプレートに接合されてスパッタリングターゲットとして供される。このスパッタリングターゲットを用いて、スパッタ法により酸化物半導体を成膜することができる。
ターゲットの形状、構造は特に限定されないが、第１の実施形態と同様のもを例示できる。図１の符号８０１に示すような板状でもよく、図２の符号８０１Ａに示すような円筒状でもよい。板状の場合、平面形状は、図１（Ａ）の符号１に示すような矩形でもよく、図３の符号８０１Ｂに示すように円形でもよい。酸化物焼結体は一体成型でもよく、図４に示すように、複数に分割した酸化物焼結体（符号８０１Ｃ）をバッキングプレート８０３に各々固定した多分割式でもよい。
バッキングプレート８０３は、酸化物焼結体の保持や冷却用の部材である。材料は銅等の熱伝導性に優れた材料が好ましい。
スパッタリングターゲットは、第１の実施形態と同様に、例えば以下の工程で製造される。
（ｄ）酸化物焼結体の表面を研削する工程。
（ｅ）酸化物焼結体をバッキングプレートにボンディングする工程。
以下、各工程を具体的に説明する。
（４）工程（ｄ）：研削工程
研削（加工）工程は、焼結体を、スパッタリング装置への装着に適した形状に切削加工する工程である。
焼結体表面は、高酸化状態の焼結部が存在したり、面が凸凹であることが多く、また、所定の寸法に切断加工する必要がある。
焼結体の表面は０．３ｍｍ以上研削するのが好ましい。研削する深さは、０．５ｍｍ以上研削するのが好ましく、２ｍｍ以上が特に好ましい。０．３ｍｍ以上研削することにより、表面付近の結晶構造の変動部分を除去できる。
酸化物焼結体を例えば、平面研削盤で研削して平均表面粗さＲａが５μｍ以下の素材とするのが好ましい。さらにスパッタリングターゲットのスパッタ面に鏡面加工を施して、平均表面粗さＲａが１０００×１０-10ｍ以下としてもよい。鏡面加工（研磨）は、機械的な研磨、化学研磨、およびメカノケミカル研磨（機械的な研磨と化学研磨の併用）等の、公知の研磨技術を用いることができる。例えば、固定砥粒ポリッシャー（ポリッシュ液は水）で＃２０００番以上にポリッシングしてもよく、遊離砥粒ラップ（研磨材はＳｉＣペースト等）にてラッピング後、研磨材をダイヤモンドペーストに換えて、ラッピングしてもよい。研磨方法はこれらの方法に限定されない。研磨材は、＃２００番、もしくは＃４００番、さらには＃８００番のものが挙げられる。
研削工程後の酸化物焼結体は、エアーブローや流水洗浄等で清浄するのが好ましい。エアーブローで異物を除去する際には、ノズルの向い側から集塵機で吸気を行なうとより有効に除去できる。なお、エアーブローや流水洗浄では清浄力に限界があるので、さらに超音波洗浄等を行なうこともできる。超音波洗浄は、周波数が２５ｋＨｚ以上、３００ｋＨｚ以下の間で、多重発振させて行なう方法が有効である。例えば周波数が２５ｋＨｚ以上、３００ｋＨｚの間で、２５ｋＨｚ刻みに１２種類の周波数を多重発振させて、超音波洗浄を行なうのが良い。
（５）工程（ｅ）：ボンディング工程
工程（ｅ）は、研削後の焼結体を、金属インジウムなどの低融点金属で、バッキングプレートにボンディングする工程である。
以上がスパッタリングターゲットの説明である。
＜酸化物半導体薄膜＞
次に、第２の実施形態に係る酸化物半導体薄膜について説明する。
第２の実施形態の第１の態様の酸化物半導体薄膜は、Ｉｎ元素、Ｇａ元素、およびＬｎ元素を含み、各元素の原子比が下記の式（２－１）から（２－３）を満たす。
０．７５≦Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｌｎ）≦０．９６・・・（２－１）
０．０３≦Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｌｎ）≦０．１０・・・（２－２）
０．０１≦Ｌｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｌｎ）≦０．１５・・・（２－３）
（式中、Ｉｎ、Ｇａ、Ｌｎは、それぞれ酸化物半導体薄膜中のＩｎ元素、Ｇａ元素およびＬｎ元素の原子数を示す。また、Ｌｎは、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、ＹｂおよびＬｕから選ばれた一種以上の金属元素を表す。）
インジウム（Ｉｎ）元素は、酸化物半導体薄膜の移動度を担う元素である。式（２－１）の下限未満では、酸化インジウムが結晶化しない等の理由で、酸化物半導体薄膜の移動度の低下が起こる場合がある。上限を超えると、酸素欠損の量が増えすぎて、半導体化せず、導体になる場合がある。
ガリウム（Ｇａ）元素は、酸素欠損の発生を抑える効果と、酸化物半導体薄膜のバンドギギャップを大きくする効果がある。式（２－１）の下限未満では、酸素欠損を抑える効果が小さく半導体にならない場合があったり、結晶の格子定数がＩｎ2Ｏ3で表されるビックスバイト結晶相の格子定数より小さくならなかったりする恐れがある。また、上限を超えると、酸素欠損がなくなり絶縁膜となる場合があったり、結晶化しなくなったり、ＴＦＴの移動度が小さくなったりする場合がある。
Ｌｎ元素は、酸素欠損の発生を抑える効果があり、さらに酸化物半導体薄膜の耐ＣＶＤ性を向上させる効果もあると考えられる。式（２－３）の下限未満では、その効果が充分に発現しない恐れがある。上限を超えると、効果が強くなり過ぎ、酸化物半導体薄膜が絶縁膜化する恐れがある。
好ましくは、各元素の原子比が下記の式（２－１Ａ）から（２－３Ａ）を満たす。
０．８０≦Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｌｎ）≦０．９６・・・（２－１Ａ）
０．０５≦Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｌｎ）≦０．０８・・・（２－２Ａ）
０．０３≦Ｌｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｌｎ）≦０．１５・・・（２－３Ａ）
第２の実施形態の第２の態様の酸化物半導体薄膜は、Ｉｎ元素、Ｇａ元素、Ｌｎ元素およびＡｌ元素を含み、各元素の原子比が下記の式（２－４）から（２－７）を満たす。
０．７０≦Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｌｎ＋Ａｌ）≦０．９５・・・（２－４）
０．０３≦Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｌｎ＋Ａｌ）≦０．１０・・・（２－５）
０．０１≦Ｌｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｌｎ＋Ａｌ）≦０．１０・・・（２－６）
０．０１≦Ａｌ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｌｎ＋Ａｌ）≦０．１０・・・（２－７）
（式中、Ｉｎ、Ｇａ、Ｌｎ、Ａｌは、それぞれ酸化物半導体薄膜中のＩｎ元素、Ｇａ元素、Ｌｎ元素およびＡｌ元素の原子数を示す。また、Ｌｎは、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、ＹｂおよびＬｕから選ばれた一種以上の金属元素を表す。）
Ｉｎ、Ｇａ、Ｌｎを添加する効果は、第１の態様と同様である。
アルミニウム（Ａｌ）元素は、酸素欠損の発生を抑える効果と、酸化物半導体薄膜のバンドギャップを大きくする効果が有る。特にアルミニウムの添加により、絶縁膜形成時のＣＶＤ処理によるキャリヤーの増大を抑え、その後の熱処理で半導体特性を調整する場合に調整しやすくなる効果、具体的には、従来よりも低温の熱処理でもキャリヤー濃度を下げやすくなる効果がある。また、酸化アルミニウム自体は、酸素の拡散係数が低く、ベースの原料酸化物のみの場合よりも酸化インジウム内の酸素の拡散速度を小さくできると考えられる。ＣＶＤ工程で酸化物半導体薄膜内の酸素欠損が増えてキャリヤー濃度が上がり、その酸素欠損をＣＶＤ工程の後の熱処理により酸素欠損を潰してキャリヤーを酸化物半導体の表面から低減する効果がある。これにより、ゲート絶縁膜近傍の酸化物半導体薄膜内部のチャネル部のキャリヤー濃度が高く保たれ、高移動度化を実現しているものと思われる。その効果を発現させるためには、式（２－７）の下限を満たす必要がある。また、式（２－７）の上限を超えると、酸素欠損がなくなり絶縁膜となる恐れがある。
第２の態様の酸化物半導体薄膜は、Ｓｎ元素を１００～１００００ｐｐｍ含んでもよい。酸化物半導体薄膜を形成するためのターゲットのバルク抵抗を下げることができるので、得られる酸化物半導体薄膜のキャリヤー濃度を一定に制御し易い。これにより、ＣＶＤ処理やその後のアニール工程でＴＦＴ特性が影響を受けにくくなり、特性が安定した酸化物半導体薄膜が得られる。
酸化物半導体薄膜中の各金属元素の含有量（原子比）は、第１の実施形態と同様に、各元素の存在量を測定することで求めることができる。ＩＣＰ測定は誘導プラズマ発光分析装置を用いることができる。
第２の実施形態に係る酸化物半導体薄膜の製造条件は特に限定しないが、第１の実施形態と同様に、第２の実施形態に係る酸化物焼結体をターゲットとしてスパッタ法により製造するのが好ましい。
＜薄膜トランジスタ＞
次に、第２の実施形態に係る薄膜トランジスタの構造について説明する。
第２の実施形態に係る薄膜トランジスタは、第２の実施形態に係る酸化物半導体薄膜を備え、トランジスタとして機能するものであれば、特に構造は限定しない。第２の実施形態の酸化物半導体薄膜を用いることによって、高性能な薄膜トランジスタが得られる。
詳細は第１の実施形態と同様であるため、説明を省略する。
＜薄膜トランジスタの用途＞
第２の実施形態に係る薄膜トランジスタは、電界効果型トランジスタ、論理回路、メモリ回路、および差動増幅回路等の各種の集積回路にも適用でき、それらを電子機器等に適用することができる。さらに、本実施形態に係る薄膜トランジスタは、電界効果型トランジスタ以外にも静電誘起型トランジスタ、ショットキー障壁型トランジスタ、ショットキーダイオード、および抵抗素子にも適応できる。
第２の実施形態に係る薄膜トランジスタは、表示装置および固体撮像素子等に好適に用いることができる。
具体的な構造は第１の実施形態と同様であるため、説明を省略する。
＜量子トンネル電界効果トランジスタ＞
第２の実施形態に係る酸化物半導体薄膜は、量子トンネル電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）に用いることもできる。
具体的な構造は第１の実施形態と同様であるため、説明を省略する。
以上が第２の実施形態の説明である。
次に、第３の実施形態について説明する。
まず、第３の実施形態の概要について、簡単に説明する。
特許文献３に記載のように、Ｉｎ元素およびＳｎ元素を含む酸化物焼結体、および当該酸化物焼結体をターゲットとして製膜した酸化物半導体薄膜（ＩＴＯ薄膜）は公知である。
これに対して、本出願人は、ＩＴＯに、さらにＬｎ元素を添加した焼結体を試作した。その結果、Ｌｎを添加しているにも関わらず、焼結体中にはＬｎの化合物が生成されなかった。さらに、Ｉｎ元素とＳｎ元素も、各々が酸化物（Ｉｎ２Ｏ３とＳｎＯ２）を形成するのみであり、Ｉｎ元素とＳｎ元素の両方を含む化合物は生成しなかった。
次に、この焼結体をターゲットとして酸化物半導体薄膜の成膜を行った所、クラックが発生しないことを見出し、本発明をするに至った。
以上が、第３の実施形態の概要である。
次に、第３の実施形態に係る酸化物焼結体について、具体的に説明する。
第３の実施形態に係る酸化物焼結体は、Ｉｎ元素、Ｓｎ元素およびＬｎ元素を含み、各元素の原子比が下記の式（２－８）から（２－１０）を満たす。
０．５５≦Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｌｎ）≦０．９０・・・（２－８）
０．０５≦Ｓｎ／（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｌｎ）≦０．２５・・・（２－９）
０．０５≦Ｌｎ／（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｌｎ）≦０．２０・・・（２－１０）
（式中、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｌｎは、それぞれ酸化物焼結体中のＩｎ元素、Ｓｎ元素およびＬｎ元素の原子数を示す。また、Ｌｎは、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、ＹｂおよびＬｕから選ばれた一種以上の金属元素を表す。）
式（２－８）から（２－１０）を満たすことにより、成膜時にクラック等が発生し難い焼結体となる。
さらに、この焼結体をターゲットとして製造した酸化物半導体薄膜が、高移動度で、ＣＶＤ等での特性変化の小さい半導体薄膜になる。
第３の実施形態に係る酸化物焼結体は、好ましくは、各元素の原子比が下記の式（２－８Ａ）から（２－１０Ａ）を満たす。
０．６２≦Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｌｎ）≦０．８４・・・（２－８Ａ）
０．０８≦Ｓｎ／（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｌｎ）≦０．２３・・・（２－９Ａ）
０．０８≦Ｌｎ／（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｌｎ）≦０．１５・・・（２－１０Ａ）
第３の実施形態に係る酸化物焼結体は、酸化物焼結体がＳｎＯ２で表されるルチル結晶相、および、Ｉｎ２Ｏ３で表されるビックスバイト結晶相を含むのが好ましい。
ルチル結晶相を含むことにより、焼結体のバルク抵抗を低減でき、スパッタ中のプラズマによる加熱によるターゲットの割れを防止することができる。
ビックスバイト結晶相を含むことにより、当該焼結体をターゲットとしてスパッタリングにより生成された酸化物半導体薄膜の膜密度が向上する。
第３の実施形態に係る酸化物焼結体は、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｌｎの酸化物を焼結することにより得られる。
例えば、酸化インジウム、酸化スズ、酸化イッテルビウムを原料として焼結すると、Ｉｎ２Ｏ３で表されるビックスバイト結晶相と、ＳｎＯ２で表されるルチル結晶相を含む酸化物焼結体が得られる。
次に、第３の実施形態の酸化物焼結体の製造方法について説明する。
第３の実施形態に係る酸化物焼結体が製造できるものであれば、製造方法は特に限定しないが、第１の実施形態と同様に、以下の（ａ）から（ｃ）の工程を含む製法を例示できる。
（ａ）原料化合物粉末を混合して混合物を調製する工程。
（ｂ）混合物を成型して成型体を調製する工程。
（ｃ）成型体を焼結する工程。
（１）工程（ａ）：配合工程
配合工程は、酸化物焼結体の原料を混合する工程である。
原料としては、Ｉｎ化合物の粉末、化合物の粉末、Ｓｎ化合物の粉末、およびＬｎ化合物の粉末を用いる。化合物としては、例えば、酸化物、および水酸化物が挙げられる。焼結のしやすさ、副生成物の残存のし難さから、いずれも酸化物が好ましい。
原料の純度は、通常２Ｎ（９９質量％）以上、好ましくは３Ｎ（９９．９質量％）以上、特に好ましくは４Ｎ（９９．９９質量％）以上である。純度が２Ｎ以上であることにより、酸化物焼結体の耐久性が確保でき、液晶ディスプレイに用いた際に不純物が酸化物半導体膜中に偏析することや、不純物がゲート絶縁膜や層間絶縁膜中に入り、酸化物半導体が作動しなくなり焼き付けが起こる可能性を低減できる。
原料粉末の平均粒径は、好ましくは０．１μｍ以上、２μｍ以下であり、より好ましくは０．５μｍ以上、１．５μｍ以下である。原料粉末の平均粒径はレーザー回折式粒度分布装置等で測定することができる。
原料の混合、成型方法は特に限定されず、公知の方法を用いて行うことができる。また、混合する際にはバインダーを原料混合物に添加してもよい。
原料の混合は、例えば、ボールミル、ビーズミル、ジェットミルまたは超音波装置等の公知の装置を用いて行うことができる。粉砕時間等の条件は、適宜調整すればよいが、６時間以上、１００時間以下が好ましい。
（２）工程（ｂ）：成型工程
成型工程は、原料混合物（上記仮焼工程を設けた場合には仮焼物）を加圧成型して成型体とする工程である。この工程により、ターゲットとして好適な形状に成型する。仮焼工程を設けた場合には、得られた仮焼物の微粉末を造粒した後、プレス成型により所望の形状に成型することができる。
成型体の平均厚みは５．５ｍｍ以上が好ましく、６ｍｍ以上がより好ましく、８ｍｍ以上がさらに好ましく、１２ｍｍ以上が特に好ましい。５．５ｍｍ以上だと、成型体の厚さ方向の温度勾配が減少し、表面と深部の結晶型の組合せの変動が生じにくくなることが期待できる。
本工程で用いることができる成型処理としては、例えば、プレス成型（一軸プレス）、金型成型、鋳込み成型、および射出成型等も挙げられる。焼結密度の高い焼結体（ターゲット）を得るためには、冷間静水圧（ＣＩＰ）等で成型するのが好ましい。
また、プレス成型（一軸プレス）後に、冷間静水圧（ＣＩＰ）、または熱間静水圧（ＨＩＰ）等で成型するように、２段階以上の成型工程を設けてもよい。
冷間静水圧、または静水圧加圧装置を用いる場合、面圧７８．５ＭＰａ（８００ｋｇｆ／ｃｍ2をＳＩ単位に換算）以上、３９２．４ＭＰａ（４０００ｋｇｆ／ｃｍ2をＳＩ単位に換算）以下で０．５分以上、６０分以下保持することが好ましい。面圧１９６．２ＭＰａ以上、２９４．３ＭＰａ以下で、２分以上、３０分以下保持することがより好ましい。前記範囲内であると、成型体内部の組成むら等が減り、均一化されることが期待される。面圧を７８．５ＭＰａ以上とすることによりで、焼結後の密度が低くなり、抵抗も低くなる。面圧３９２．４ＭＰａ以下とすることにより、装置を大型化せずに成型できる。保持時間が０．５分以上であると、焼結後の密度と抵抗が高くなるのを防止できる。６０分以下であると時間が掛かりすぎ不経済となるのを防げる。
成型処理では、ポリビニルアルコールやメチルセルロース、ポリワックス、オレイン酸等の成型助剤を用いてもよい。
（３）工程（ｃ）：焼結工程
焼結工程は、上記成型工程で得られた成型体を焼成する必須の工程である。
焼結温度は好ましくは１２００℃以上、１６５０℃以下、より好ましくは１３５０℃以上、１６００℃以下、さらに好ましくは１４００℃以上、１６００℃以下、よりさらに好ましくは１４５０℃以上、１６００℃以下である。
焼結時間は好ましくは１０時間以上、５０時間以下、より好ましくは１２時間以上、４０時間以下、さらに好ましくは１３時間以上、３０時間以下である。
焼結温度が１２００℃以上、焼結時間が１０時間以上であると、焼結が十分進行し、ターゲットの電気抵抗が十分下がり、異常放電が生じ難くなる。焼成温度が１６５０℃以下、焼成時間が５０時間以下であると、著しい結晶粒成長により平均結晶粒径の増大や、粗大空孔の発生を防ぐことができ、焼結体強度の低下や異常放電が生じ難くなる。
常圧焼結法では、成型体を大気雰囲気、または酸素ガス雰囲気にて焼結する。酸素ガス雰囲気は、酸素濃度が、例えば２０体積％以上、８０体積％以下の雰囲気であることが好ましい。昇温過程を酸素ガス雰囲気とすることで、焼結体密度を高くすることができる。
さらに、焼結に際しての昇温速度は、８００℃から焼結温度までを０．１℃／分以上、２℃／分以下とすることが好ましい。
第３の実施形態にかかる焼結体において８００℃から上の温度範囲は、焼結が最も進行する範囲である。この温度範囲での昇温速度が０．１℃／分以上であると、過度な結晶粒成長を抑制でき、高密度化を達成できる。昇温速度が２℃／分以下であることにより、成型体に温度分布が生じ、焼結体が反ったり割れたりするのを抑制できる。
８００℃から焼結温度における昇温速度は、好ましくは０．５℃／分以上、２．０℃／分以下、より好ましくは１．０℃／分以上、１．８℃／分以下である。
なお、第３の実施形態の酸化物焼結体の組成の測定方法は、第１の実施形態と同様であるため、説明を省略する。
＜スパッタリングターゲット＞
次に、第３の実施形態に係るスパッタリングターゲットについて説明する。
第３の実施形態に係るガーネット化合物、および当該ガーネット化合物を含む酸化物焼結体は、研削加工され、バッキングプレートに接合されてスパッタリングターゲットとして供される。このスパッタリングターゲットを用いて、スパッタ法により酸化物半導体を成膜することができる。
ターゲットの形状、構造は特に限定されないが、第１の実施形態と同様のもを例示できる。図１の符号８０１に示すような板状でもよく、図２の符号８０１Ａに示すような円筒状でもよい。板状の場合、平面形状は、図１（Ａ）の符号１に示すような矩形でもよく、図３の符号８０１Ｂに示すように円形でもよい。酸化物焼結体は一体成型でもよく、図４に示すように、複数に分割した酸化物焼結体（符号８０１Ｃ）をバッキングプレート８０３に各々固定した多分割式でもよい。
バッキングプレート８０３は、酸化物焼結体の保持や冷却用の部材である。材料は銅等の熱伝導性に優れた材料が好ましい。
スパッタリングターゲットは、第１の実施形態と同様に、例えば以下の工程で製造される。
（ｄ）酸化物焼結体の表面を研削する工程。
（ｅ）酸化物焼結体をバッキングプレートにボンディングする工程。
以下、各工程を具体的に説明する。
（４）工程（ｄ）：研削工程
研削（加工）工程は、焼結体を、スパッタリング装置への装着に適した形状に切削加工する工程である。
焼結体表面は、高酸化状態の焼結部が存在したり、面が凸凹であることが多く、また、所定の寸法に切断加工する必要がある。
焼結体の表面は０．３ｍｍ以上研削するのが好ましい。研削する深さは、０．５ｍｍ以上研削するのが好ましく、２ｍｍ以上が特に好ましい。０．３ｍｍ以上研削することにより、表面付近の結晶構造の変動部分を除去できる。
酸化物焼結体を例えば、平面研削盤で研削して平均表面粗さＲａが５μｍ以下の素材とするのが好ましい。さらにスパッタリングターゲットのスパッタ面に鏡面加工を施して、平均表面粗さＲａが１０００×１０-10ｍ以下としてもよい。鏡面加工（研磨）は、機械的な研磨、化学研磨、およびメカノケミカル研磨（機械的な研磨と化学研磨の併用）等の、公知の研磨技術を用いることができる。例えば、固定砥粒ポリッシャー（ポリッシュ液は水）で＃２０００番以上にポリッシングしてもよく、遊離砥粒ラップ（研磨材はＳｉＣペースト等）にてラッピング後、研磨材をダイヤモンドペーストに換えて、ラッピングしてもよい。研磨方法はこれらの方法に限定されない。研磨材は、＃２００番、もしくは＃４００番、さらには＃８００番のものが挙げられる。
研削工程後の酸化物焼結体は、エアーブローや流水洗浄等で清浄するのが好ましい。エアーブローで異物を除去する際には、ノズルの向い側から集塵機で吸気を行なうとより有効に除去できる。なお、エアーブローや流水洗浄では清浄力に限界があるので、さらに超音波洗浄等を行なうこともできる。超音波洗浄は、周波数が２５ｋＨｚ以上、３００ｋＨｚ以下の間で、多重発振させて行なう方法が有効である。例えば周波数が２５ｋＨｚ以上、３００ｋＨｚの間で、２５ｋＨｚ刻みに１２種類の周波数を多重発振させて、超音波洗浄を行なうのが良い。
（５）工程（ｅ）：ボンディング工程
工程（ｅ）は、研削後の焼結体を、金属インジウムなどの低融点金属で、バッキングプレートにボンディングする工程である。
以上がスパッタリングターゲットの説明である。
以上が、第３の実施形態に係る酸化物焼結体の説明である。
次に、第３の実施形態に係る酸化物半導体薄膜について、説明する。
第３の実施形態に係る酸化物半導体薄膜は、Ｉｎ元素、Ｓｎ元素およびＬｎ元素を含み、各元素の原子比が下記の式（２－８）から（２－１０）を満たす。
０．５５≦Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｌｎ）≦０．９０・・・（２－８）
０．０５≦Ｓｎ／（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｌｎ）≦０．２５・・・（２－９）
０．０５≦Ｌｎ／（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｌｎ）≦０．２０・・・（２－１０）
（式中、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｌｎは、それぞれ酸化物半導体薄膜中のＩｎ元素、Ｓｎ元素およびＬｎ元素の原子数を示す。また、Ｌｎは、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、ＹｂおよびＬｕから選ばれた一種以上の金属元素を表す。）
Ｉｎ、Ｌｎを添加する効果は第１の態様と同様である。
Ｓｎは、酸化物半導体薄膜の耐薬品性を向上させる効果を有する。その効果を得るためには式（２－１０）の下限を満たす必要がある。また、上限を満たすことにより、エッチングによる半導体薄膜のアイランド形成ができる。
酸化物半導体薄膜中の各金属元素の含有量（原子比）は、第１の実施形態と同様に、各元素の存在量を測定することで求めることができる。ＩＣＰ測定は誘導プラズマ発光分析装置を用いることができる。
第３の実施形態に係る酸化物半導体薄膜の製造条件は特に限定しないが、第１の実施形態と同様に、第３の実施形態に係る酸化物焼結体をターゲットとしてスパッタ法により製造するのが好ましい。
＜薄膜トランジスタ＞
次に、第３の実施形態に係る薄膜トランジスタの構造について説明する。
第３の実施形態に係る薄膜トランジスタは、第３の実施形態に係る酸化物半導体薄膜を備え、トランジスタとして機能するものであれば、特に構造は限定しない。第３の実施形態の酸化物半導体薄膜を用いることによって、高性能な薄膜トランジスタが得られる。
詳細は第１の実施形態と同様であるため、説明を省略する。
＜薄膜トランジスタの用途＞
第３の実施形態に係る薄膜トランジスタは、電界効果型トランジスタ、論理回路、メモリ回路、および差動増幅回路等の各種の集積回路にも適用でき、それらを電子機器等に適用することができる。さらに、本実施形態に係る薄膜トランジスタは、電界効果型トランジスタ以外にも静電誘起型トランジスタ、ショットキー障壁型トランジスタ、ショットキーダイオード、および抵抗素子にも適応できる。
第３の実施形態に係る薄膜トランジスタは、表示装置および固体撮像素子等に好適に用いることができる。
具体的な構造は第１の実施形態と同様であるため、説明を省略する。
＜量子トンネル電界効果トランジスタ＞
第３の実施形態に係る酸化物半導体薄膜は、量子トンネル電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）に用いることもできる。
具体的な構造は第１の実施形態と同様であるため、説明を省略する。
以上が第３の実施形態に係る酸化物半導体薄膜の説明である。
次に、第４の実施形態について説明する。
第４の実施形態は、亜鉛を含有しない酸化物半導体を用いたイメージセンサーである。
まず、第４の実施形態の背景を説明する。
イメージセンサーは、１つの固体撮像素子ごとに複数の薄膜トランジスタを配置する構造である。そのため、イメージセンサーの高感度化および省電力化のためには、薄膜トランジスタのリーク電流がなるべく少ないことが求められる。
酸化物半導体において、リーク電流を少なくするためには、特許文献２から特許文献５に記載のように、亜鉛の添加が効果的である。
しかしながら、亜鉛はシリコン中に拡散しやすい性質を持っている。そのため、亜鉛を含む酸化物半導体を用いた薄膜トランジスタでイメージセンサーを構成すると、亜鉛の拡散により、他の薄膜トランジスタが汚染され、所望の特性が得られなくなる可能性があった。
第４の実施形態は上記課題に鑑みてなされたものであり、亜鉛を含有しなくてもリーク電流が少ない酸化物半導体を用いたイメージセンサーを提供することを目的とする。
まず、図１８から図２３を参照して、第４の実施形態に係るイメージセンサーの単位セルの等価回路の構成について、簡単に説明する。なお、本明細書で説明する各図において、各構成要素や領域の大きさ、および層の厚さ等は、明瞭化のために誇張されている場合がある。よって、必ずしもそのスケールに限定されない。
第４の実施形態では、イメージセンサーとして、ＣＭＯＳイメージセンサーを説明する。以下の説明では、ＣＭＯＳイメージセンサーを、単に「イメージセンサー」と称して説明することがある。
［イメージセンサー］
図１８および図１９に示すように、イメージセンサーの単位セル１００は、フォトダイオード１０と、フォトダイオード１０にソース電極３が電気的に接続された転送トランジスタ１を備える。転送トランジスタ１のドレイン電極４に電気的に接続された信号電荷蓄積部１５と、転送トランジスタ１および信号電荷蓄積部１５に電気的に接続されたゲート電極３４を備える増幅トランジスタ３０も備える。さらに、ドレイン電極２３、および信号電荷蓄積部１５に電気的に接続されたソース電極２２を備えるリセットトランジスタ２０も備える。
転送トランジスタ１およびリセットトランジスタ２０はｎ型であり、増幅トランジスタ３０はｐ型である。
転送トランジスタ１およびリセットトランジスタ２０は図１９および図２０に示す構成であり、チャネル形成領域は、特定の元素を含む酸化物半導体薄膜２、２１を含む。この酸化物半導体薄膜２、２１の詳細については後述する。
また、第４の実施形態では、増幅率をより向上させる観点から、増幅トランジスタ３０として、チャネル形成領域に単結晶シリコン半導体を用いたバルクトランジスタを適用するのが好ましい。
なお、以下の説明では、転送トランジスタ１およびリセットトランジスタ２０を特に区別しないときは、これらを総称して「薄膜トランジスタ」と称することがある。また、増幅トランジスタ３０を「バルクトランジスタ」と称することがある。
図１８では１つの単位セル１００のみを図示しているが、イメージセンサーは、複数の単位セル１００がマトリクス状に配置されている。
イメージセンサは、信号電荷蓄積部１５に電位を保持し、その電位を増幅トランジスタ３０を介して垂直出力線３１２０に出力する固体撮像素子である。
フォトダイオード１０は、光電変換素子である。図１９に示すフォトダイオード１０は無機ダイオードであり、所謂埋込み型フォトダイオードである。フォトダイオード１０は、単結晶シリコン基板２００の表面に不純物をドーピングして、ｎ型領域１２とｐ型領域１１とを順に形成することにより、設けられる。フォトダイオード１０は、表面にｐ型領域１１を形成することで、表面で電荷が発生するので暗電流、すなわちノイズを低減し易い構造となっている。また、フォトダイオードに酸化物半導体薄膜２、２１と同じ材料の酸化物半導体薄膜を用いても良く、転送トランジスタ１、リセットトランジスタ２０に用いられる酸化物半導体薄膜と同じ材料を用いてよい。
フォトダイオードが有機ダイオードの場合、詳細は変形例として後述するが、図２１に示すように、例えばフォトダイオード１１０は、単結晶シリコン基板２００上に、コンタクト金属層１１３と、ｎ型有機半導体領域１１２と、ｐ型有機半導体領域１１１とをこの順に形成することにより、設けられる。
フォトダイオード１０は、光が照射されないときは、図２２のＡに示すように、通常のダイオードと同じ電圧電流特性を示す。光が照射されると、特に逆バイアス印加時において、図２２のＢに示すように、光照射なしに比較して大きな電流が流れる。
転送トランジスタ１は、フォトダイオード１０と信号電荷蓄積部１５との間の電流のオン／オフのためのｎ型トランジスタである。図２０に示すように、転送トランジスタ１は、酸化物半導体薄膜２、ソース電極３、ドレイン電極４、およびゲート電極５を備える。
酸化物半導体薄膜２はチャネル領域であり、単結晶シリコン基板２００上にゲート絶縁膜３２を介して設けられる。
ソース電極３およびドレイン電極４は、酸化物半導体薄膜２を面方向に挟むように、酸化物半導体薄膜２の両端に電気的に接続された電極である。ソース電極３またはドレイン電極４の一方が、フォトダイオード１０に電気的に接続される。ここではフォトダイオード１０の出力部（ｐ型領域）にソース電極３が電気的に接続される。
ゲート電極５は、ゲート絶縁膜６を介して酸化物半導体薄膜２の上方（単結晶シリコン基板２００とは反対側）に設けられた電極である。
信号電荷蓄積部１５は、フォトダイオード１０の電荷を一時的に蓄積する容量成分であり、ゲート絶縁膜３２を誘電体として容量を形成している。信号電荷蓄積部１５は、ソース電極３またはドレイン電極４の他方（フォトダイオード１０に接続されていない方）に、電気的に接続される。ここでは、転送トランジスタ１のドレイン電極４に電気的に接続される。
図１９では、転送トランジスタ１のドレイン電極４が、リセットトランジスタ２０のソース電極２２を兼ねており、信号電荷蓄積部１５はドレイン電極４の下方に形成されている。
増幅トランジスタ３０は、フォトダイオード１０から流れる電流を増幅する素子であり、ｎ型領域３１Ａ、３１Ｂ、ソース電極３３Ａ、ドレイン電極３３Ｂ、およびゲート電極３４を備えるバルクトランジスタである。
ｎ型領域３１Ａ、３１Ｂは、単結晶シリコン基板２００の表面に不純物をドーピングすることにより形成された領域であり、互いに単結晶シリコン基板２００の面方向に離間するように設けられる。第４の実施形態では、単結晶シリコン基板２００として、ｐ型単結晶シリコン基板を用いるため、ｎ型領域３１Ａとｎ型領域３１Ｂで挟まれた領域はｐ型領域である。よって、増幅トランジスタはｐ型のトランジスタである。
ソース電極３３Ａ、ドレイン電極３３Ｂは、ｎ型領域３１Ａ、３１Ｂにそれぞれゲート絶縁膜３２を貫通するように接続される。
ゲート電極３４は、ｎ型領域３１Ａとｎ型領域３１Ｂとで挟まれた領域の上方（単結晶シリコン基板２００とは反対側）に設けられた電極であり、ここではゲート絶縁膜３２上に設けられる。ゲート電極３４は、転送トランジスタ１のソース電極３またはドレイン電極４の他方（フォトダイオード１０に接続されていない方）、ここではドレイン電極４、および信号電荷蓄積部１５に電気的に接続される。ゲート電極３４上にはゲート絶縁膜６が設けられる。また、増幅トランジスタ３０は、単結晶シリコン基板２００上に設けられた絶縁領域４０で囲まれており、この絶縁領域４０によって他の素子と電気的に絶縁される。
増幅トランジスタ３０のソース電極３３Ａは垂直出力線３１２０に接続される（図１参照）。ドレイン電極３３Ｂは電源端子ＶＤＤに接続される。ゲート電極３４は図示しない転送スイッチ線に接続され、読み出しパルスが入力される。
リセットトランジスタ２０は、信号電荷蓄積部１５の電荷をリセットするｎ型のトランジスタであり、酸化物半導体薄膜２１、ソース電極２２、ドレイン電極２３、およびゲート電極２４を備える。
酸化物半導体薄膜２１、ソース電極２２、ドレイン電極２３、およびゲート電極２４の配置および機能は、酸化物半導体薄膜２、ソース電極３、ドレイン電極４、およびゲート電極５と同様であるため、説明を省略する。
ソース電極２２は信号電荷蓄積部１５に接続される。ここでは、ソース電極２２は転送トランジスタ１のドレイン電極４を兼ねている。
ドレイン電極２３は配線２５を介してリセット電源線３１１０に接続される（図１８参照）。ゲート電極２４は図示しないリセット線に接続され、リセットパルスが入力される。
また、転送トランジスタ１、リセットトランジスタ２０、および増幅トランジスタ３０は絶縁膜４１で覆われる。
以上が、第４の実施形態に係るイメージセンサーの単位セル１００の等価回路の構成の説明である。
次に、図１８、図２２、および図２３を参照して単位セル１００の動作について説明する。
まず、図１８および図２２、および図２３を参照して、単位セルから垂直信号線に信号が出力される動作を説明する。
まず、電源端子ＶＤＤに電源電圧が供給される。続いて、リセットトランジスタ２０（図１８および図２３中、ＲＳＴ）のゲート電極２４にリセットパルスが入力され、リセットトランジスタ２０がオンする。信号電荷蓄積部１５（図１８および図２３中、ＦＤ）はリセット電源の電位に充電される。
その後、リセットトランジスタ２０はオフになり、信号電荷蓄積部１５はリセット電源の電位に保持される（図２３の期間Ｔ１）。期間Ｔ１において、リセットトランジスタ２０および転送トランジスタ１（図１８および図２３中、ＴＲＦ）にリーク電流がほとんど流れなければ、次の転送トランジスタ１の動作まで電位は保持される。
次に、転送トランジスタ１がオンすると、信号電荷蓄積部１５から電流がフォトダイオードに流れて、信号電荷蓄積部１５の電位が低下する（期間Ｔ２）。転送トランジスタ１がオフすると、オフした時点での電位が信号電荷蓄積部１５に保持される（期間Ｔ３）。期間Ｔ３において、リセットトランジスタ２０および転送トランジスタ１にリーク電流がほとんど流れなければ、次のリセットトランジスタ２０の動作まで電位が保持される。期間Ｔ３において、電位の低下により増幅トランジスタ３０がオンになり、垂直出力線３１２０に電位が出力される。その後、電源端子ＶＤＤへの電源電圧の供給が遮断される。
垂直出力線３１２０に出力される信号の電位は、フォトダイオード１０に照射された光の強度と照射時間によって異なる。そのため、単位セル１００は、フォトダイオード１０に入射する光の強度を電気信号として出力できる。
次に、フォトダイオード１０に光が照射された場合の単位セル１００の動作について図２２および図２３を用いて説明する。
まず、転送トランジスタ１がオフの状態でフォトダイオード１０に光が照射されると、フォトダイオード１０に電流経路がないため、フォトダイオード１０の出力部の電位は図５のｃ点における値となる。
図２３の期間Ｔ０にリセットトランジスタ２０がオンし、期間Ｔ１に示すように、信号電荷蓄積部１５がリセット電源電位Ｖresに保持されたあと、期間Ｔ２で転送トランジスタ１がオンすると、フォトダイオード１０の出力部の電位はリセット電源電位となり、フォトダイオードのカソードの出力部の電位は図２２のｄ点に移動する。
信号電荷蓄積部１５から転送トランジスタ１を介して、放電電流がフォトダイオード１０に流れると、信号電荷蓄積部１５の電位が低下する。期間Ｔ３で転送トランジスタ１がオフしたところで、放電は止まる。期間Ｔ３でのフォトダイオード１０の出力部の電位をｅ点とすると、ｄ点とｅ点の間の電位差が、フォトダイオード１０に光が照射されたことにより生じた電位差になり、光の強度に対応する。
このように、単位セル１００の動作においては、期間Ｔ１およびＴ３のように、一定の電位を保持する期間が存在する。
そのため、リセットトランジスタ２０および転送トランジスタ１のチャネル領域にオフ電流の低い酸化物半導体薄膜２１、２を用いれば、信号電荷蓄積部１５からチャネル領域を介したリーク電流を少なくでき、期間Ｔ１およびＴ３の保持期間中に極めて高い電位保持機能を作用させることができる。これにより、単位セル１００の高感度化および省電力化が実現できる。
＜酸化物半導体薄膜＞
次に、第４の実施形態に係るイメージセンサーに用いられる、特定の元素を含む酸化物半導体薄膜２、２１の構成について説明する。
酸化物半導体薄膜２、２１は、転送トランジスタ１およびリセットトランジスタ２０のチャネル形成領域（半導体層）として用いられる。
まず、酸化物半導体薄膜２、２１の好ましい特性について説明する。
酸化物半導体薄膜２、２１のキャリヤー密度は、１．０×１０16ｃｍ-3以下が好ましく、１．０×１０15ｃｍ-3以下がより好ましい。キャリヤー密度の下限は、好ましくは１．０×１０14ｃｍ-3以上である。
キャリヤー密度を上記範囲にすると、薄膜トランジスタのキャリヤー移動度が高くなる。これにより、光照射時の安定性、熱に対する安定性が高くなり、ＴＦＴが安定して作動するようになる。
キャリヤー密度はホール効果測定方法により測定することができる。
薄膜トランジスタの飽和移動度は、１．０ｃｍ2／Ｖ・ｓ以上、５０．０ｃｍ2／Ｖ・ｓ以下が好ましい。
飽和移動度が１．０ｃｍ2／Ｖ・ｓ以上であると、薄膜トランジスタを安定して駆動でき、イメージセンサーの感度・データの取り込み速度を上げることができる。
飽和移動度が５０．０ｃｍ2／Ｖ・ｓ以下であると、容易にオフ電流を１０-12Ａ以下にでき、また、オンオフ比（ｏｎ－ｏｆｆ比）を１０8以上に設定することができる。これにより、薄膜トランジスタを安定して駆動でき、イメージセンサーの感度・データの取り込み速度を上げることができ、さらに、データの保存時間も長くできることから、イメージセンサーの性能向上を図ることができる。
飽和移動度は、ドレイン電圧を２０Ｖに設定した場合の伝達特性から求められる。具体的に、伝達特性Ｉｄ－Ｖｇのグラフを作成し、各Ｖｇのトランスコンダクタンス（Ｇｍ）を算出し、飽和領域の式により飽和移動度を求める。Ｉｄはソース・ドレイン電極間の電流、Ｖｇはソース・ドレイン電極間に電圧Ｖｄを印加したときのゲート電圧である。
閾値電圧（Ｖｔｈ）は、－３．０Ｖ以上、＋３.０以下が好ましく、－２．５以上、＋２．５Ｖ以下がより好ましい。閾値電圧が－３．０Ｖ以上、＋３.０以下であると、オフ電流が小さく、オンオフ比の大きな薄膜トランジスタができる。
閾値電圧（Ｖｔｈ）は、伝達特性のグラフよりＩｄ＝１０-9ＡでのＶｇと定義する。
ｏｎ－ｏｆｆ比は１０6以上、１０12以下が好ましく、１０7以上、１０11以下がより好ましく、１０8以上、１０10以下がさらに好ましい。
ｏｎ－ｏｆｆ比が１０6以上であると、液晶ディスプレイの駆動ができる。
ｏｎ－ｏｆｆ比が１０12以下であると、コントラストの大きな有機ＥＬの駆動ができる。また、ｏｎ－ｏｆｆ比が１０12以下であると、画像の保持時間を長くしたり、イメージセンサーの感度を向上させたりすることができる。
ｏｎ－ｏｆｆ比は、Ｖｇ＝－１０ＶのＩｄの値をＯｆｆ電流値とし、Ｖｇ＝２０ＶのＩｄの値をＯｎ電流値として比［Ｏｎ／Ｏｆｆ］を決めることにより、求められる。
Ｏｆｆ電流値は、１０-11Ａ以下が好ましく、１０-12Ａ以下がより好ましい。
Ｏｆｆ電流値が１０-11Ａ以下であると、画像の保持時間を長くしたり、イメージセンサーの感度を向上させたりすることができる。
酸化物半導体薄膜２，２１のバンドギャップは、好ましくは３．０ｅＶ以上、より好ましくは３．２ｅＶ以上、さらに好ましくは３．４ｅＶ以上である。
バンドギャップは、分光光度計 ＵＶ－３１００ＰＣ（島津製作所）を用いて以下の方法により測定することができる。
ガラス基板上に酸化物半導体薄膜を成膜してバンドギャップ測定用のサンプルを準備する。このサンプルを加熱処理して透過スペクトルを測定し、横軸の波長をエネルギー（ｅＶ）に、縦軸の透過率を以下の式に変換する。
式：透過率＝（αｈν）2
ここで、α、ｈ、νは以下の通りである。
α：吸収係数
ｈ：プランク定数
ν：振動数
変換したグラフにおいて、吸収が立ち上がる部分にフィッティングし、グラフがベースラインと交わるところのエネルギー値（ｅＶ）を、バンドギャップとして算出する。
薄膜トランジスタのリーク電流は、好ましくは１×１０-11Ａ以下であり、より好ましくは１×１０-12Ａ以下であり、さらに好ましくは９×１０-13Ａ以下である。
ここでいうリーク電流とは、Ｌ／Ｗを２００／１０００とした素子（チャネル長：Ｌ［μｍ］、チャネル幅：Ｗ［μｍ］）でのリーク電流をいう。
次に、酸化物半導体薄膜２、２１の組成について説明する。
第４の実施形態における酸化物半導体薄膜２、２１は、Ｉｎ元素（インジウム）、Ｓｎ元素（スズ）、およびＧａ元素（ガリウム）から選ばれた１種以上の導電性酸化物と、Ａｌ元素（アルミニウム）、Ｙ元素（イットリウム）、ランタノイド元素Ｌｎから選ばれた１種以上の酸化物を含む。
ここで、ランタノイド元素Ｌｎとは、ランタノイド元素（原子番号５１から７１、すなわちランタンからルテチウムまでの１５の元素）から選ばれる少なくとも１種の元素をいう。
インジウム元素は、酸化物半導体薄膜の移動度を担う効果を有する。
スズは、耐薬品性を有する。また、導電膜にも使用されることから、酸化物半導体薄膜の移動度に影響を及ぼすことは少なく、高価なインジウムの添加量を減らす効果も有する。
ガリウム元素は、酸化インジウムの結晶化を抑えたり、酸素欠損の発生を抑える効果と、得られる酸化物半導体薄膜のバンドギャップを大きくする効果を有する。
アルミニウム元素、イットリウム元素、およびランタノイド元素は、酸素との結合力が大きく、酸素欠損によるキャリヤー発生を抑える効果が有り、ＴＦＴ製造工程での様々な熱負荷、ＣＶＤ成膜での還元負荷等による酸素欠損が発生することに起因するキャリヤー密度の増加を抑える込む効果を有する。
また、アルミニウム元素およびランタノイド元素は、酸化物半導体薄膜を非晶質化する作用も有する。
したがって、上記の元素（Ｉｎ、Ｓｎ、Ｇａ、Ａｌ、Ｙ、およびＬｎ）を選択することで、真性または実質的に真性な半導体となり、半導体特性（キャリヤー密度、飽和移動度、閾値電圧、ｏｎ－ｏｆｆ比、バンドギャップ、およびリーク電流の少なくとも１以上、以下同様である。）を、前述の好ましい範囲に調整し易い。これにより、酸化物半導体薄膜２、２１を、転送トランジスタ１およびリセットトランジスタ２０のチャネル形成領域に用いることで、リーク電流が少ない酸化物半導体を用いたイメージセンサーが実現される。
酸化物半導体薄膜２、２１は、当該酸化物半導体薄膜２、２１とほぼ同じ原子組成比を有するスパッタリングターゲットをスパッタすることによって得られる。酸化物焼結体からなるスパッタリングターゲットをスパッタして形成された薄膜の原子組成比は、用いたスパッタリングターゲットの原子組成比とほぼ一致する。
酸化物半導体薄膜２、２１を形成するための酸化物焼結体は、例えば、酸化インジウム、酸化ガリウム、および酸化スズをベースの原料とし、この原料に酸化アルミニウム、酸化イットリウム、およびランタノイドを添加して焼成することによって得られる。
なお、酸化物半導体薄膜は、上記以外の元素を含んでもよい。その場合、上記以外の元素を含む酸化物をベースの原料に添加し、あとは上記と同様の方法で酸化物半導体薄膜を得ることができる。なお、上記以外の元素には不可避不純物も含まれる。不可避不純物とは、意図的に添加しない元素であって、原料や製造工程で混入する元素を意味する。
不可避不純物の例としては、上述の通りである。
酸化物半導体薄膜中の各金属元素の含有量（原子比）は、ＩＣＰ（Inductive Coupled Plasma）測定またはＸＲＦ（X－ｒａｙFluorescence）測定により、各元素の存在量を測定することで求めることができる。ＩＣＰ測定は誘導プラズマ発光分析装置を用いることができる。ＸＲＦ測定は薄膜蛍光Ｘ線分析装置（ＡＺＸ４００、リガク社製）を用いることができる。
また、セクタ型ダイナミック二次イオン質量分析計ＳＩＭＳ分析を用いても誘導プラズマ発光分析と同等の精度で酸化物半導体薄膜中の各金属元素の含有量（原子比）を分析できる。誘導プラズマ発光分析装置または薄膜蛍光Ｘ線分析装置で測定した金属元素の原子比が既知の標準酸化物薄膜の上面に、ソース・ドレイン電極をＴＦＴ素子と同様の材料をチャネル長で形成したものを標準材料とし、セクタ型ダイナミック二次イオン質量分析計ＳＩＭＳ（ＩＭＳ ７ｆ－Ａｕｔｏ、ＡＭＥＴＥＫ社製）により酸化物半導体層の分析を行い各元素の質量スペクトル強度を得、既知の元素濃度と質量スペクトル強度の検量線を作製する。次に、実TFT素子の酸化物半導体薄膜部分を、セクタ型ダイナミック二次イオン質量分析計ＳＩＭＳ分析によるスペクトル強度から、前述の検量線を用いて、原子比を算出すると、算出された原子比は、別途薄膜蛍光Ｘ線分析装置または誘導プラズマ発光分析装置で測定された酸化物半導体薄膜の原子比の２原子％以内であることが確認できる。
また、酸化物半導体薄膜に含まれる各元素の原子組成比は、酸化物半導体薄膜を形成する際に使用するスパッタリングターゲットの各元素の存在量を調整することで制御できる。
酸化物半導体薄膜２、２１は、Ｚｎ元素を含まないことが好ましい。
これは、Ｚｎ元素はイオン半径が小さく、高温で熱処理する場合やスパッタリン法で成膜する場合に、他の薄膜トランジスタ内に拡散し、特性を変化させる場合があるためである。Ｚｎ元素を含まないことにより、Ｚｎ元素が拡散して他の薄膜トランジスタの特性を変化させることを防止できる。
酸化物半導体薄膜２、２１は、非晶質でもよく、結晶質でもよい。
非晶質とは、Ｘ線回折でハローパターンが観測され特定の回折線を示さないものをいう。結晶質とは、Ｘ線回折により結晶ピークを確認できるものをいう。具体的には、ＸＲＤで、２θで３０°以上、４０°以下にピークが現れるものをいう。
酸化物半導体薄膜２、２１が非晶質であることにより、表面平滑性に優れた酸化物半導体薄膜が得られる。特に非晶質膜は、蓚酸などの弱酸のエッチング液でパターンニングできるので、配線金属を溶解したり、劣化させたりすることがない点で有用である。
また、酸化物半導体薄膜２、２１が非晶質であることにより、２００℃以下の低温アニールでもＴＦＴ特性を発現することも可能であるため、耐熱性の劣る有機平坦化膜などを用いた積層型のトランジスタ構成を採用する場合には有用である。
また、酸化物半導体薄膜２、２１が結晶質であることにより、信頼性および耐久性に優れた薄膜トランジスタが得られ易い。また、成膜直後の薄膜を非晶質として成膜した後、例えば蓚酸などの弱酸のエッチング液によりパターンニングを行い、その後、アニールにより結晶化させてもよい。これにより、表面平滑性に優れた、結晶質の酸化物半導体薄膜が得られる。
第４の実施形態における酸化物半導体薄膜２、２１は、さらに以下の要件を満たすことが好ましい。好ましい酸化物半導体薄膜２、２１としては、以下の第１態様から第９態様の酸化物半導体薄膜が挙げられる。
（第１態様）
第１態様の酸化物半導体薄膜（以下、酸化物半導体薄膜Ａとも称する）は、原子組成比が下記式（３－１）および下記式（３－２）を満たすことが好ましい。
酸化物半導体薄膜Ａを、転送トランジスタ１およびリセットトランジスタ２０のチャネル形成領域として用いることで、リーク電流の低減効果が得られる。
０．６０≦（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｇａ）／（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｇａ＋Ａｌ＋Ｙ＋Ｌｎ）≦０．９８
・・・(３－１)
０．０２≦（Ａｌ＋Ｙ＋Ｌｎ）／（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｇａ＋Ａｌ＋Ｙ＋Ｌｎ）≦０．４０
・・・(３－２)
式（３－１）において、（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｇａ）／（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｇａ＋Ａｌ＋Ｙ＋Ｌｎ）を０．６０以上とすることにより、酸化物半導体薄膜の移動度が小さくなりすぎるのを防ぎ、イメージセンサーの画質や感度を良好に保つことができる。０．９８以下とすることにより、酸化物半導体薄膜が導電化し、半導体特性を失う事を防止でき、また、酸化物半導体薄膜のオフ電流を低減することができるので、イメージセンサーの画質や感度を向上させることができる。
式（３－１）において、（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｇａ）／（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｇａ＋Ａｌ＋Ｙ＋Ｌｎ）は、より好ましくは０．６５以上０．９５以下であり、さらに好ましくは０．７０以上０．９５以下である。
式（３－２）において、（Ａｌ＋Ｙ＋Ｌｎ）／（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｇａ＋Ａｌ＋Ｙ＋Ｌｎ）を０．０２以上とすることにより、酸化物半導体薄膜が導電化し、半導体特性を失う事を防止でき、酸化物半導体薄膜のオフ電流を低減することができるので、イメージセンサーの画質や感度を向上させることができる。また、０．４０以下とすることにより、酸化物半導体薄膜が絶縁膜化するのを防ぎ、イメージセンサーの画質や感度を良好に保つことができる。
式（３－２）において、（Ａｌ＋Ｙ＋Ｌｎ）／（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｇａ＋Ａｌ＋Ｙ＋Ｌｎ）は、より好ましくは０．０５以上０．３５以下であり、さらに好ましくは０．０５以上０．３０以下である。
特に酸化物半導体薄膜Ａが結晶質である場合には、式（３－１）および式（３－２）は、下記式（３－１´）および式（３－２´）を満たすことが好ましい。
０．７５≦（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｇａ）／（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｇａ＋Ａｌ＋Ｙ＋Ｌｎ）≦０．９８
・・・（３－１´）
０．０２≦（Ａｌ＋Ｙ＋Ｌｎ）／（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｇａ＋Ａｌ＋Ｙ＋Ｌｎ）≦０．２５
・・・（３－２´）
式（３－１´）において、（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｇａ）／（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｇａ＋Ａｌ＋Ｙ＋Ｌｎ）を０．７５以上とすることにより、酸化物半導体薄膜の移動度が小さくなりすぎるのを防ぎ、イメージセンサーの画質や感度を良好に保つことができる。式（３－１´）の上限値の意義は式（３－１）と同様である。
式（３－２´）において、（Ａｌ＋Ｙ＋Ｌｎ）／（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｇａ＋Ａｌ＋Ｙ＋Ｌｎ）を０．２５以下とすることにより、酸化物半導体薄膜が絶縁膜化するのを防ぎ、イメージセンサーの画質や感度を良好に保つことができる。式（３－２´）の下限値の意義は式（２）と同様である。
式（３－１´）において、（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｇａ）／（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｇａ＋Ａｌ＋Ｙ＋Ｌｎ）は、より好ましくは０．８０以上０．９８以下である。
式（３－２´）において、（Ａｌ＋Ｙ＋Ｌｎ）／（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｇａ＋Ａｌ＋Ｙ＋Ｌｎ）は、より好ましくは０．０２以上０．２０以下である。
酸化物半導体薄膜Ａが非晶質である場合には、酸化物半導体薄膜Ａは、半導体特性をより向上させる観点から、さらに式（３－Ｘ）から式（３－Ｚ）を満たすことが好ましい。
０．３５≦Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｇａ）≦１．００ ・・・（３－Ｘ）
０．００≦Ｓｎ／（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｇａ）≦０．６５ ・・・（３－Ｙ）
０．００≦Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｇａ）≦０．６５ ・・・（３－Ｚ）
式（３－Ｘ）において、インジウムの含有量を０．３５以上とすることにより、移動度の低下を防げる。
式（３－Ｘ）において、Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｇａ）は、より好ましくは０．５０以上１．００以下であり、さらに好ましくは０．４０以上１．００以下である。
式（３－Ｙ）において、スズの含有量を０．６５以下とすることにより、エッチングによる酸化物半導体薄膜のアイランド形成ができる。
式（３－Ｙ）において、Ｓｎ／（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｇａ）は、より好ましくは０．００以上０．５０以下であり、さらに好ましくは０．００以上０．４５以下である。
式（３－Ｚ）において、ガリウムの含有量を０．６５以下とすることにより、酸素欠損が少なくなり過ぎて、酸化物半導体薄膜が絶縁化するのを防げる。
式（３－Ｚ）において、Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｇａ）は、より好ましくは０．００以上０．５０以下であり、さらに好ましくは、０．００以上０．３０以下である。
すなわち、酸化物半導体薄膜Ａが非晶質である場合、酸化物半導体薄膜Ａは、原子組成比が式（３－１Ａ）から式（３－２Ａ）および式（３－Ｘ１）から式（３－Ｚ１）を満たすことがより好ましく、式（３－１Ｂ）から式（３－２Ｂ）および式（３－Ｘ２）から式（３－Ｚ２）を満たすことがさらに好ましい。
０．６５≦（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｇａ）／（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｇａ＋Ａｌ＋Ｙ＋Ｌｎ）≦０．９５
・・・（３－１Ａ）
０．０５≦（Ａｌ＋Ｙ＋Ｌｎ）／（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｇａ＋Ａｌ＋Ｙ＋Ｌｎ）≦０．３５
・・・（３－２Ａ）
０．５０≦Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｇａ）≦１．００ ・・・（３－Ｘ１）
０．００≦Ｓｎ／（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｇａ）≦０．５０ ・・・（３－Ｙ１）
０．００≦Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｇａ）≦０．５０ ・・・（３－Ｚ１）
０．７０≦（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｇａ）／（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｇａ＋Ａｌ＋Ｙ＋Ｌｎ）≦０．９５
・・・（３－１Ｂ）
０．０５≦（Ａｌ＋Ｙ＋Ｌｎ）／（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｇａ＋Ａｌ＋Ｙ＋Ｌｎ）≦０．３０
・・・（３－２Ｂ）
０．４０≦Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｇａ）≦１．００ ・・・（３－Ｘ２）
０．００≦Ｓｎ／（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｇａ）≦０．４５ ・・・（３－Ｙ２）
０．００≦Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｇａ）≦０．３０ ・・・（３－Ｚ２）
酸化物半導体薄膜Ａが結晶質である場合には、酸化物半導体薄膜Ａは、半導体特性をより向上させる観点から、さらに原子組成比が式（３－Ｘ３）から式（３－Ｚ３）を満たすことが好ましい。
０．６０≦Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｇａ）≦１．００ ・・・（３－Ｘ３）
０．００≦Ｓｎ／（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｇａ）≦０．４０ ・・・（３－Ｙ３）
０．００≦Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｇａ）≦０．４０ ・・・（３－Ｚ３）
式（３－Ｘ３）において、インジウムの含有量を０．６０以上とすることにより、移動度の低下を防げる。
式（３－Ｘ３）において、Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｇａ）は、より好ましくは０．７０以上１．００以下であり、さらに好ましくは０．８０以上１．００以下である。
式（３－Ｙ３）において、スズの含有量を０．４０以下とすることにより、エッチングによる酸化物半導体薄膜のアイランド形成ができる。
式（３－Ｙ３）において、Ｓｎ／（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｇａ）は、より好ましくは０．００以上０．３０以下であり、さらに好ましくは０．００以上０．２０以下である。
式（３－Ｚ３）において、ガリウムの含有量を０．４０以下とすることにより、酸素欠損が少なくなり過ぎて、酸化物半導体薄膜が絶縁化するのを防げる。
式（３－Ｚ３）において、Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｇａ）は、より好ましくは０．００以上０．３０以下であり、さらに好ましくは、０．００以上０．２０以下である。
すなわち、酸化物半導体薄膜Ａが結晶質である場合、酸化物半導体薄膜Ａは、原子組成比が式（３－１Ｃ）から式（３－２Ｃ）および式（３－Ｘ３）から式（３－Ｚ３）を満たすことが好ましく、式（３－１Ｄ）から式（３－２Ｄ）および式（３－Ｘ４）から式（３－Ｚ４）を満たすことがより好ましく、式（３－１Ｅ）から式（３－２Ｅ）および式（３－Ｘ５）から式（３－Ｚ５）を満たすことがさらに好ましい。
０．７５≦（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｇａ）／（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｇａ＋Ａｌ＋Ｙ＋Ｌｎ）≦０．９８
・・・（３－１Ｃ）
０．０２≦（Ａｌ＋Ｙ＋Ｌｎ）／（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｇａ＋Ａｌ＋Ｙ＋Ｌｎ）≦０．２５
・・・（３－２Ｃ）
０．６０≦Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｇａ）≦１．００ ・・・（３－Ｘ３）
０．００≦Ｓｎ／（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｇａ）≦０．４０ ・・・（３－Ｙ３）
０．００≦Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｇａ）≦０．４０ ・・・（３－Ｚ３）
０．８０≦（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｇａ）／（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｇａ＋Ａｌ＋Ｙ＋Ｌｎ）≦０．９８
・・・（３－１Ｄ）
０．０２≦（Ａｌ＋Ｙ＋Ｌｎ）／（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｇａ＋Ａｌ＋Ｙ＋Ｌｎ）≦０．２０
・・・（３－２Ｄ）
０．７０≦Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｇａ）≦１．００ ・・・（３－Ｘ４）
０．００≦Ｓｎ／（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｇａ）≦０．３０ ・・・（３－Ｙ４）
０．００≦Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｇａ）≦０．３０ ・・・（３－Ｚ４）
０．８０≦（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｇａ）／（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｇａ＋Ａｌ＋Ｙ＋Ｌｎ）≦０．９８
・・・（３－１Ｅ）
０．０２≦（Ａｌ＋Ｙ＋Ｌｎ）／（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｇａ＋Ａｌ＋Ｙ＋Ｌｎ）≦０．２０
・・・（３－２Ｅ）
０．８０≦Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｇａ）≦１．００ ・・・（３－Ｘ５）
０．００≦Ｓｎ／（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｇａ）≦０．２０ ・・・（３－Ｙ５）
０．００≦Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｓｎ＋Ｇａ）≦０．２０ ・・・（３－Ｚ５）
（第２態様）
第２態様の酸化物半導体薄膜（以下、酸化物半導体薄膜Ｂとも称する）は、Ｉｎ元素、Ｓｎ元素、Ｇａ元素、およびＡｌ元素を含み、原子組成比が下記式（３－３）から下記式（３－６）を満たすことが好ましい。
酸化物半導体薄膜Ｂを、転送トランジスタ１およびリセットトランジスタ２０のチャネル形成領域として用いることで、リーク電流の低減効果が得られる。
０．０１≦Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ）≦０．３０ ・・・（３－３）
０．０１≦Ｓｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ）≦０．４０ ・・・（３－４）
０．５５≦Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ）≦０．９８ ・・・（３－５）
０．０５≦Ａｌ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ＋Ａｌ）≦０．３０ ・・・（３－６）
式（３－３）において、ガリウム元素の含有量を０．０１以上とすることにより、酸素欠損を抑える効果が発現し、半導体薄膜になる。また、ガリウムの含有量を０．３０以下とすることにより、酸素欠損が少なくなり過ぎて、酸化物半導体薄膜が絶縁化するのを防げる。
式（３－３）において、Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ）は、より好ましくは０．０２以上０．２７以下であり、さらに好ましくは０．０３以上０．２３以下である。
式（３－４）において、スズ元素の含有量を０．０１以上とすることにより、耐薬品性が発現する。また、スズ元素の含有量を０．４０以下とすることにより、エッチングによる酸化物半導体薄膜のアイランド形成ができる。
式（３－４）において、Ｓｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ）は、より好ましくは０．０２以上０．３５以下であり、さらに好ましくは０．０３以上０．３０以下である。
式（３－５）において、インジウム元素の含有量を０．５５以上とすることにより、移動度の低下を防げる。また、インジウム元素の含有量を０．９８以下とすることにより、酸素欠損の量が増えすぎて、導体になるのを防げる。
式（３－５）において、Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ）は、より好ましくは０．６０以上０．９６以下であり、さらに好ましくは０．６０以上０．９４以下である。
式（３－６）において、アルミニウム元素の含有量を０．０５以上とすることにより、酸化物半導体薄膜を用いた薄膜トランジスタの移動度を十分な値にできる。また、アルミニウムの含有量を０．３０以下とすることにより、移動度が小さくなり過ぎるのを防ぐことができる。
式（３－６）において、Ａｌ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ＋Ａｌ）は、より好ましくは０．０８以上０．２２以下である。
酸化物半導体薄膜Ｂは、非晶質であることが好ましい。具体的には、酸化物半導体薄膜Ｂは、スパッタによって成膜されたときにアモルファス状態（非晶質）であり、加熱処理後もアモルファス状態であることが好ましい。その理由は以下の通りである。
酸化物半導体薄膜Ｂに酸化インジウム結晶が生成すると、その結晶にスズがドーピングされＩＴＯと同様に導電化する場合がある。酸化インジウム結晶が微結晶の場合は、アモルファス状の部分と微結晶が混在することになり、それらの界面でキャリヤーが散乱され移動度が低下する場合がある。また、アモルファス状の部分と微結晶の間に酸素欠損等が生じると光吸収の色中心を生成する場合があり、ＴＦＴの光安定性が損なわれる場合がある。
酸化物半導体薄膜Ｂは、原子組成比が式（３－３Ａ）から式（３－５Ａ）および式（３－６）を満たすことがより好ましく、式（３－３Ｂ）から式（３－５Ｂ）および式（３－６Ｂ）を満たすことがさらに好ましい。
０．０２≦Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ）≦０．２７ ・・・（３－３Ａ）
０．０２≦Ｓｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ）≦０．３５ ・・・（３－４Ａ）
０．６０≦Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ）≦０．９６ ・・・（３－５Ａ）
０．０５≦Ａｌ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ＋Ａｌ）≦０．３０ ・・・（３－６）
０．０３≦Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ）≦０．２３ ・・・（３－３Ｂ）
０．０３≦Ｓｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ）≦０．３０ ・・・（３－４Ｂ）
０．６０≦Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ）≦０．９４ ・・・（３－５Ｂ）
０．０８≦Ａｌ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ＋Ａｌ）≦０．２２ ・・・（３－６Ｂ）
（第３態様）
第３態様の酸化物半導体薄膜（以下、酸化物半導体薄膜Ｃとも称する）は、Ｉｎ元素、Ｓｎ元素、Ｇａ元素、およびＡｌ元素を含み、原子組成比が下記式（３－７）から下記式（３－１０）を満たすことが好ましい。
酸化物半導体薄膜Ｃを、転送トランジスタ１およびリセットトランジスタ２０のチャネル形成領域として用いることで、リーク電流の低減効果が得られる。
０．０１≦Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ）≦０．５０ ・・・（３－７）
０．０１≦Ｓｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ）≦０．５０ ・・・（３－８）
０．２０≦Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ）＜０．５５ ・・・（３－９）
０．０５≦Ａｌ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ＋Ａｌ）≦０．３０ ・・・（３－１０）
式（３－７）において、ガリウム元素の含有量を０．０１以上とすることにより酸素欠損を抑える効果が発現し、スパッタした膜が半導体薄膜になる。また、ガリウムの含有量を０．５０以下とすることにより、酸素欠損が少なくなり過ぎて、膜が絶縁体化するのを防げる。
式（３－７）において、Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ）は、より好ましくは０．０２以上０．４５以下であり、さらに好ましくは０．０３以上０．４０以下である。
式（３－８）において、スズ元素の含有量を０．０１以上とすることにより、耐薬品性が発現する。また、スズ元素の含有量を０．５０以下とすることにより、エッチングによる酸化物半導体薄膜のアイランド形成ができる。
式（３－８）において、Ｓｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ）は、より好ましくは０．０２以上０．４５以下であり、さらに好ましくは０．０３以上０．４０以下である。
式（３－９）において、インジウム元素の含有量を０．２０以上とすることにより、移動度の低下を防ぐことができる。また、インジウム元素の含有量を０．５５未満とすることにより、スパッタで成膜した膜が結晶化したり、酸素欠損の量が増えすぎて、導体になるのを防げる。式（３－９）において、Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ）は、より好ましくは、０．２５以上０．５５未満であり、さらに好ましくは０．３０以上０．５５未満である。
式（３－１０）において、アルミニウム元素の含有量を０．０５以上とすることにより、酸化物半導体薄膜を用いた薄膜トランジスタの移動度を十分な値にできる。さらに、得られる酸化物半導体薄膜は、低温アニールでも安定したＴＦＴ特性を発現する。また、アルミニウムの含有量を０．３０以下とすることにより、移動度が小さくなり過ぎるのを防ぐことができる。
式（３－１０）において、Ａｌ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ＋Ａｌ）は、より好ましくは０．０５以上０．２５以下であり、さらに好ましくは０．０８以上０．２２以下である。
（第４態様）
第４態様の酸化物半導体薄膜（以下、酸化物半導体薄膜Ｄとも称する）は、Ｉｎ元素、Ｓｎ元素、Ｇａ元素、およびＬｎ元素を含み、原子組成比が下記式（３－１１）から下記式（３－１４）を満たすことが好ましい。
酸化物半導体薄膜Ｄを、転送トランジスタ１およびリセットトランジスタ２０のチャネル形成領域として用いることで、リーク電流の低減効果が得られる。
０．０１≦Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ）≦０．３０ ・・・（３－１１）
０．０１≦Ｓｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ）≦０．４０ ・・・（３－１２）
０．５５≦Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ）≦０．９８ ・・・（３－１３）
０．０３≦Ｌｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ＋Ｌｎ）≦０．２５ ・・・（３－１４）
式（３－１１）において、ガリウム元素の含有量を０．０１以上とすることにより、酸素欠損を抑える効果が発現し、半導体薄膜になる。また、ガリウムの含有量を０．３０以下とすることにより、酸素欠損が少なくなり過ぎて、酸化物半導体薄膜が絶縁化するのを防げる。
式（３－１１）において、Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ）は、より好ましくは０．０２以上０．２５以下であり、さらに好ましくは０．０３以上０．２０以下である。
式（３－１２）において、スズの含有量を０．０１以上とすることにより、耐薬品性が発現する。また、スズ元素の含有量を０．４０以下とすることにより、エッチングによる酸化物半導体薄膜のアイランド形成ができる。
式（３－１２）において、Ｓｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ）は、より好ましくは０．０２以上０．３５以下であり、さらに好ましくは０．０３以上０．３０以下である。
式（３－１３）において、インジウム元素の含有量を０．５５以上とすることにより、移動度の低下を防げる。また、インジウム元素の含有量を０．９８以下とすることにより、酸素欠損の量が増えすぎて、導体になるのを防げる。
式（３－１３）において、Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ）は、より好ましくは０．６０以上０．９６以下であり、さらに好ましくは０．６０以上０．９４以下である。
式（３－１４）において、ランタノイド元素の含有量を０．０３以上とすることにより、酸化物半導体薄膜を非晶質化する効果が発現される。また、ランタノイド元素の含有量を０．２５以下とすることにより、酸素欠損の量が増えすぎて、導体になるのを防げる。
また、ランタノイドの添加は、酸化物半導体薄膜のバンドギャップを向上させる効果が有り、光耐性の高い酸化物半導体薄膜および薄膜トランジスタが得られ易い。
式（３－１４）において、Ｌｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ＋Ｌｎ）は、より好ましくは０．０３以上０．２５以下である。
酸化物半導体薄膜Ｄは、非晶質であることが好ましい。具体的には、酸化物半導体薄膜Ｄは、スパッタによって成膜されたときにアモルファス状態（非晶質）であり、加熱処理後もアモルファス状態であることが好ましい。その理由は、前述した酸化物半導体薄膜Ｂが非晶質であることが好ましい理由と同様である。
酸化物半導体薄膜Ｄは、原子組成比が式（３－１１Ａ）から式（３－１４Ａ）を満たすことがより好ましく、式（３－１１Ｂ）から式（３－１３Ｂ）および式（３－１４Ａ）を満たすことがさらに好ましい。
０．０２≦Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ）≦０．２５ ・・・（３－１１Ａ）
０．０２≦Ｓｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ）≦０．３５ ・・・（３－１２Ａ）
０．６０≦Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ）≦０．９６ ・・・（３－１３Ａ）
０．０３≦Ｌｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ＋Ｌｎ）≦０．２５ ・・・（３－１４Ａ）
０．０３≦Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ）≦０．２０ ・・・（３－１１Ｂ）
０．０３≦Ｓｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ）≦０．３０ ・・・（３－１２Ｂ）
０．６０≦Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ）≦０．９４ ・・・（３－１３Ｂ）
０．０３≦Ｌｎ／（Ｉｎ＋Ｇａ＋Ｓｎ＋Ｌｎ）≦０．２５ ・・・（３－１４Ａ）
（第５態様）
第５態様の酸化物半導体薄膜（以下、酸化物半導体薄膜Ｅとも称する）は、Ｉｎ元素、Ｓｎ元素、Ｇａ元素、Ａｌ元素およびＹ元素を含み、原子組成比が下記式（３－１５）および下記式（３－１６）を満たすことが好ましい。
酸化物半導体薄膜Ｅを、転送トランジスタ１およびリセットトランジスタ２０のチャネル形成領域として用いることで、リーク電流の低減効果が得られる。
０．０３≦（Ａｌ＋Ｇａ＋Ｙ）／（Ｉｎ＋Ｙ＋Ａｌ＋Ｇａ）＜０．５０
・・・（３－１５）
０．０５≦［（Ａｌ＋Ｇａ）／（Ｉｎ＋Ａｌ＋Ｇａ＋Ｙ）］／［（Ｙ＋Ａｌ＋Ｇａ）／（Ｉｎ＋Ａｌ＋Ｇａ＋Ｙ）］≦０．７５
・・・（３－１６）
ここで、酸化物半導体薄膜Ｅは、Ｉｎ2Ｏ3で構成されるビックスバイト構造を主成分とし、前記ビックスバイト構造に、Ｙが固溶し、かつ、ＡｌおよびＧａのいずれか一方、またはＡｌとＧａの両方が固溶しているスパッタリングターゲット（酸化物焼結体）をスパッタして形成されたものであることが好ましい。上記スパッタリングターゲットは、焼結体のバルク抵抗が低く焼結体強度も大きく、さらに熱膨張係数が小さく熱伝導度が大きいためスパッタ時に熱による割れ等の発生が少なく安定してスパッタリングができる。
「主成分」とは、全体（ここでは酸化物焼結体）に含まれる成分のうち、５０質量％以上を占める成分をいう。なお、主成分は、好ましくは７０質量％以上、より好ましくは８０質量％以上、さらに好ましくは９０質量％以上である。第４の実施形態において特に断らない限り「主成分」の定義は同様とする。
式（３－１５）において、（Ａｌ＋Ｇａ＋Ｙ）／（Ｉｎ＋Ｙ＋Ａｌ＋Ｇａ）を０．０３以上とすることにより、ＹやＡｌおよび／またはＧａを添加する効果が発現される。また、（Ａｌ＋Ｇａ＋Ｙ）／（Ｉｎ＋Ｙ＋Ａｌ＋Ｇａ）を０．５０未満とすることにより、酸化物半導体薄膜を用いた薄膜トランジスタの移動度を十分な値にできる。
式（３－１５）において、（Ａｌ＋Ｇａ＋Ｙ）／（Ｉｎ＋Ｙ＋Ａｌ＋Ｇａ）は、より好ましくは０．０４以上０．４０以下であり、さらに好ましくは０．０５以上０．３５以下である。
式（３－１６）において、［（Ａｌ＋Ｇａ）／（Ｉｎ＋Ａｌ＋Ｇａ＋Ｙ）］／［（Ｙ＋Ａｌ＋Ｇａ）／（Ｉｎ＋Ａｌ＋Ｇａ＋Ｙ）］を０．０５以上とすることにより、ビックスバイト構造に、Ｙが固溶し、かつ、ＡｌおよびＧａのいずれか一方、またはＡｌとＧａの両方が固溶している酸化物半導体薄膜が得られやすい。また、［（Ａｌ＋Ｇａ）／（Ｉｎ＋Ａｌ＋Ｇａ＋Ｙ）］／［（Ｙ＋Ａｌ＋Ｇａ）／（Ｉｎ＋Ａｌ＋Ｇａ＋Ｙ）］を０．７５以下とすることにより、移動度が高く、安定したトランジスタ特性が得られ易い。
式（３－１６）において、［（Ａｌ＋Ｇａ）／（Ｉｎ＋Ａｌ＋Ｇａ＋Ｙ）］／［（Ｙ＋Ａｌ＋Ｇａ）／（Ｉｎ＋Ａｌ＋Ｇａ＋Ｙ）］は、より好ましくは０．０６以上０．７４未満であり、さらに好ましくは０．１０以上０．７４以下であり、さらに好ましくは０．１５以上０．７４以下であり、さらに好ましくは０．１５以上０．７３である。
酸化物半導体薄膜Ｅは、Ｓｎ元素を含んでもよく、ＹＡｌＯ3で表されるペロブスカイト構造を含んでもよい。
酸化物半導体薄膜ＥがＳｎ元素を含む場合、Ｓｎ元素の含有量［（Ｓｎ）／（Ｉｎ＋Ｙ＋Ａｌ＋Ｇａ＋Ｓｎ）］は、質量単位で、好ましくは５００ｐｐｍ以上１００００ｐｐｍ以下であり、より好ましくは７００ｐｐｍ以上８０００ｐｐｍ以下であり、さらに好ましくは１０００ｐｐｍ以上７０００ｐｐｍ以下である。
Ｓｎ元素を含むことにより、酸化物半導体薄膜Ｅを形成するためのスパッタリングターゲットのバルク抵抗を下げることができるので、得られる酸化物半導体薄膜Ｅのキャリヤー濃度を一定に制御し易い。これにより、ＣＶＤ処理やその後のアニール工程でＴＦＴ特性が影響を受けにくくなり、特性が安定した薄膜トランジスタが得られる。
（第６態様）
第６態様の酸化物半導体薄膜（以下、酸化物半導体薄膜Ｆとも称する）は、原子組成比が下記式（３－１７）を満たすことが好ましい。
酸化物半導体薄膜Ｆを、転送トランジスタ１およびリセットトランジスタ２０のチャネル形成領域として用いることで、リーク電流の低減効果が得られる。
０．０００１≦（Ａｌ＋Ｙ）／（Ｉｎ＋Ａｌ＋Ｙ）≦０．１・・・（３－１７）
ここで、酸化物半導体薄膜Ｆは、酸化インジウムを主成分とし、正３価の金属酸化物を含有するスパッタリングターゲット（酸化物焼結体）をスパッタして形成されたものであることが好ましい。これにより、半導体特性に優れた薄膜トランジスタが実現され易い。
正３価の金属酸化物としては、例えば、酸化ホウ素、酸化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化スカンジウム、酸化イットリウム、酸化ランタン、酸化プラセオジム、酸化ネオジム、酸化サマリウム、酸化ユウロピウム、酸化ガドリニウム、酸化テルビウム、酸化ジスプロニウム、酸化ホルニウム、酸化エルビウム、酸化ツリウム、酸化イッテリビウムおよび酸化ルテチウムから選択される１種または２種以上の酸化物が挙げられる。
また、酸化物半導体薄膜Ｆは、結晶質であることが好ましい。これにより、ＴＦＴの耐久性を高くできる。
式（３－１７）において、（Ａｌ＋Ｙ）／（Ｉｎ＋Ａｌ＋Ｙ）を０．０００１以上とすることにより、酸素欠損の低減効果が発現され、キャリヤー密度が２×１０16ｃｍ-3以下の薄膜トランジスタが得られ易い。また、（Ａｌ＋Ｙ）／（Ｉｎ＋Ａｌ＋Ｙ）を０．１以下とすることにより、膜の結晶性が高まり、酸素欠損量が多くなり過ぎず、ＴＦＴが安定して作動するようになる。
式（３－１７）において、（Ａｌ＋Ｙ）／（Ｉｎ＋Ａｌ＋Ｙ）は、より好ましくは０．０００５以上０．０５以下であり、さらに好ましくは０．００１以上０．０５以下である。
（第７態様）
第７態様の酸化物半導体薄膜（以下、酸化物半導体薄膜Ｇとも称する）は、原子組成比が下記式（３－１８）を満たすことが好ましい。Ｌｎはランタノイド元素を表す。
酸化物半導体薄膜Ｇを、転送トランジスタ１およびリセットトランジスタ２０のチャネル形成領域として用いることで、リーク電流の低減効果が得られる。
０．０１≦（Ｙ＋Ｌｎ＋Ａｌ＋Ｇａ）／（Ｉｎ＋Ｙ＋Ｌｎ＋Ａｌ＋Ｇａ）≦０．５
・・・（３－１８）
ここで、酸化物半導体薄膜Ｇは、Ｉｎ2Ｏ3で構成されるビックスバイト構造と、Ａ3Ｂ5Ｏ12構造（式中、Ａは、ＳｃおよびＬｎ（Ｙ，Ｌａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｐｍ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍ，ＹｂおよびＬｕ）からなる群から選ばれる一以上の元素であり、Ｂは、ＡｌおよびＧａからなる群から選ばれる一以上の元素である。）を含むスパッタリングターゲット（酸化物焼結体）をスパッタして形成されたものであることが好ましい。上記スパッタリングターゲットは、抵抗を低く抑制できるため、放電安定性に優れたターゲットとなる。
Ａ3Ｂ5Ｏ12構造は、ガーネットまたはガーネット構造と呼ぶことができる。
酸化物半導体薄膜ＧがＩｎ2Ｏ3構造およびガーネット構造を有することは、Ｘ線回折測定装置（ＸＲＤ）により確認できる。
ガーネット構造は、電気的に絶縁性であるが、導電性の高いビックスバイト構造に海島構造として分散することで、上記スパッタリングターゲットの電気抵抗を低くすることができる。
Ａ3Ｂ5Ｏ12構造におけるＡは、薄膜トランジスタにおいてより大きなＯｎ／Ｏｆｆ特性を得るという観点から、Ｙ，Ｃｅ，Ｎｄ，Ｓｍ，Ｅｕ，およびＧｄからなる群から選ばれる一以上の元素が好ましく、Ｙ、Ｎｄ、Ｓｍ、およびＧｄからなる群から選ばれる一以上の元素がより好ましい。ＡおよびＢは、それぞれ１種単独でもよく２種以上でもよい。
式（３－１８）において、（Ｙ＋Ｌｎ＋Ａｌ＋Ｇａ）／（Ｉｎ＋Ｙ＋Ｌｎ＋Ａｌ＋Ｇａ）を０．０１以上とすることにより、キャリヤー密度が高くなり過ぎず、薄膜トランジスタを安定して駆動できる。また、（Ｙ＋Ｌｎ＋Ａｌ＋Ｇａ）／（Ｉｎ＋Ｙ＋Ｌｎ＋Ａｌ＋Ｇａ）を０．５以下とすることにより、酸化物半導体薄膜Ｇを形成するためのスパッタリングターゲットの抵抗が高くなり過ぎないため、酸化物半導体薄膜Ｇを形成する際に、放電が安定になり、パーティクルの発生も抑制される。
式（３－１８）において、（Ｙ＋Ｌｎ＋Ａｌ＋Ｇａ）／（Ｉｎ＋Ｙ＋Ｌｎ＋Ａｌ＋Ｇａ）は、より好ましくは、０．０１５以上０．４０以下であり、さらに好ましくは０．０２以上０．３０以下である。
（第８態様）
第８態様の酸化物半導体薄膜（以下、酸化物半導体薄膜Ｈとも称する）は、酸化インジウムを主成分とし、単一の結晶方位を有する表面結晶粒子を含むことが好ましい。
「単一の結晶方位を有する表面結晶粒子を含む」とは、結晶方位が制御された状態をいう。通常は、電子線後方散乱回折法（ＥＢＳＤ）で観察したときに、当該酸化物半導体薄膜の表面の結晶状態がファセット状である結晶粒子が観察されれば、「単一の結晶方位を有する表面結晶粒子を含む」と言える。ファセット状か放射状かは、ＥＢＳＤ測定により容易に判別できる。
酸化物半導体薄膜Ｈを、転送トランジスタ１およびリセットトランジスタ２０のチャネル形成領域として用いることで、リーク電流の低減効果が得られる。
酸化物半導体薄膜Ｈは、結晶質であることが好ましい。
単一の結晶方位を有する表面結晶粒子を含む結晶質薄膜は、結晶が安定であり、ＴＦＴ製造工程での様々な熱負荷、酸化負荷、還元負荷等によるキャリヤー密度の変動を抑え込むことができる。当該結晶質薄膜（第４の実施形態では酸化物半導体薄膜）をチャネル領域とする薄膜トランジスタは高い飽和移動度を達成できる。
酸化インジウムが、酸化物半導体薄膜中に５０質量％以上含まれる場合、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を構成した場合の飽和移動度を高くすることができる。
また、酸化物半導体薄膜Ｈ中におけるファセット状の結晶形態は、平均結晶粒径としては、通常０．５μｍ以上、好ましくは１μｍ以上、より好ましくは２μｍ以上であり、また、平均粒径の上限値としては、通常１０μｍ以下である。結晶粒子はそれぞれが単一な結晶方位を有している。平均結晶粒径が、０．５μｍ以上であると、微結晶となりにくい。また、平均結晶粒径が１０μｍ以下であると、内部に結晶転移を起こしにくくなる。
粒径は、ＥＢＳＤにより表面形態を確認しフェレー径（結晶に外接する長方形の短辺とする）を計測することにより求める。
平均結晶粒径は、膜の中央部（対角線の交点）を中心とした枠内で観察されるファセット結晶の粒径を測定し、その平均値を相加平均にて算出したものである。枠のサイズは、通常５μｍ×５μｍであるが、膜のサイズや、粒径のサイズにより適宜調整する。枠内のファセット状結晶の数は、５個以上である。５個に満たない場合は、枠のサイズを拡大して観察を行う。膜全体を観察しても５個未満の場合は、計測可能な結晶を計測することにより算出する。放射状の結晶形態の場合、粒径としては、通常１μｍ～２０μｍ程度の粒径を有しているが、特に１０μｍを超える結晶では、その粒径内は単一な結晶方位を示さず、中心部や結晶端部より放射状に結晶方位が変化する結晶を有している。
表面の結晶状態がファセット状である結晶粒子が占める面積は、５０％以上が好ましく、より好ましくは８０％、さらに好ましくは９０％以上である。結晶状態がファセット状である結晶粒子が酸化物半導体薄膜の表面を占める面積が５０％以上であれば、安定したキャリヤー密度が達成できる。ファセット状でない結晶形態としては、放射状の結晶形態の他、アモルファス状もしくは微細な結晶粒等が挙げられる。上記ファセット状の結晶状態の粒子が占める面積以外の部分は、これらの形態の粒子が占めている。
酸化物半導体薄膜Ｈは、正３価の金属酸化物を含有することも好ましい。正３価の金属酸化物としては、前述と同様のものが挙げられる。
（第９態様）
第９態様の酸化物半導体薄膜（以下、酸化物半導体薄膜Ｉとも称する）は、ガリウムが酸化インジウムに固溶しており、全金属原子に対するインジウムとガリウムの含有率が８０原子％以上であり、Ｉｎ2Ｏ3で表されるビッグスバイト構造を有し、原子組成比が下記式（３－１９）を満たすことが好ましい。
酸化物半導体薄膜Ｉを、転送トランジスタ１およびリセットトランジスタ２０のチャネル形成領域として用いることで、リーク電流の低減効果が得られる。
０．００１≦Ｇａ／（Ｇａ＋Ｉｎ）≦０．１０・・・（３－１９）
酸化物半導体薄膜Ｉは、結晶質であることが好ましい。
式（３－１９）において、Ｇａ／（Ｇａ＋Ｉｎ）を０．００１以上とすることにより、酸化インジウム結晶の格子定数の変化が比較的大きくなり、ガリウムを添加する効果が発現さ
れる。また、Ｇａ／（Ｇａ＋Ｉｎ）を０．１０以下とすることにより、ＩｎＧａＯ3等の析出を抑制できる。ＩｎＧａＯ3等の析出を抑制することで、結晶質の酸化物半導体薄膜Ｉが得られ易い。
式（３－１９）において、Ｇａ／（Ｇａ＋Ｉｎ）は、より好ましくは０．００５以上０．０８以下であり、さらに好ましくは０．０１以上０．０５以下であり、さらに好ましくは０．０２以上０．０４以下である。
以上が第４の実施形態に係るイメージセンサーに用いられる、酸化物半導体薄膜２、２１の構成の説明である。
次に、第４の実施形態に係るイメージセンサーに用いられる、酸化物半導体薄膜２、２１の製造方法について説明する。
なお、第４の実施形態では、埋め込み型のフォトダイオードおよびｎチャネル型のバルクトランジスタを用いる構成であるため、基板としてｐ型単結晶シリコン基板を用いるが、ｐウェルを形成すればｎ型単結晶シリコン基板を用いることもできる。
まず、光電変換素子であるフォトダイオード１０を作製する方法は、一般的な方法を用いることができるため、ここでは省略する。
次に酸化物半導体薄膜２、２１をチャネル領域とする薄膜トランジスタの作製方法について、図１９を参照して説明する。
第４の実施形態では、既に単結晶シリコン基板２００に設けられている図示しないバルクトランジスタのゲート絶縁膜３２上に薄膜トランジスタを形成する。そのため、薄膜トランジスタの下地膜として、バルクトランジスタのゲート絶縁膜３２を用いることができる。ただし、ゲート絶縁膜３２とは別に絶縁層を成膜し、下地膜としても良い。
酸化物半導体薄膜と接する絶縁層（第４の実施形態ではゲート絶縁膜３２）は、酸化シリコン層、酸化窒化シリコン層、酸化アルミニウム層、または酸化窒化アルミニウム層などの酸化物絶縁層を用いると好ましい。絶縁層の形成方法としては、プラズマＣＶＤ法またはスパッタ法等を用いることができるが、絶縁層中に水素が大量に含まれないようにするためには、簡便な方法であるスパッタ法で絶縁層を成膜することが好ましい。
絶縁層として、スパッタ法により酸化シリコン層を形成する例を説明する。単結晶シリコン基板２００を処理室へ搬送し、高純度酸素を含むアルゴンをスパッタガスとして導入し酸化シリコンターゲットを用いて高周波（ＲＦ）スパッタ法で、単結晶シリコン基板２００に絶縁層として、酸化シリコン層を成膜する。また単結晶シリコン基板は室温でもよいし、加熱されていてもよい。
例えば、石英（好ましくは合成石英）をターゲットとして用い、基板温度を室温（２５℃）、基板およびターゲット間の距離（Ｔ－Ｓ間距離）を７０ｍｍ、圧力０．４Ｐａ、高周波（ＲＦ）電源１．５ｋＷ、酸素およびアルゴン（酸素流量４ｓｃｃｍ：アルゴン流量３６ｓｃｃｍ＝Ｏ2濃度が１０体積％に相当）雰囲気下で高周波（ＲＦ）スパッタ法により酸化シリコン層を成膜する。酸化シリコン層の膜厚は１００ｎｍとする。その後、３５０℃にて、１時間空気中でアニールする。なお、石英に代えてシリコンを、酸化シリコン層を成膜するためのターゲットとして用いることができる。このとき、スパッタガスとしては、酸素１００体積％または、酸素を５０体積％以上含むアルゴンの混合ガスを用いて行う。
スパッタ法には、スパッタ用電源に高周波電源を用いるＲＦスパッタ法、直流電源を用いるＤＣスパッタ法、およびパルス的にバイアスを与えるパルスＤＣスパッタ法がある。ＲＦスパッタ法は主に絶縁膜を成膜する場合に用いられ、ＤＣスパッタ法は主に導電膜を成膜する場合に用いられる。
また、材料の異なるターゲットを複数設置できる多元スパッタ装置もある。多元スパッタ装置は、同一チャンバーで異なる材料膜を積層成膜することも、同一チャンバーで複数種類の材料を同時に放電させて成膜することもできる。
また、チャンバー内部に磁石機構を備えたマグネトロンスパッタ法を用いるスパッタ装置や、グロー放電を使わずマイクロ波を用いて発生させたプラズマを用いるＥＣＲスパッタを用いるスパッタ装置がある。
また、スパッタ法を用いる成膜方法として、成膜中にターゲット物質とスパッタガス成分とを化学反応させてそれらの化合物薄膜を形成するリアクティブスパッタ法や、成膜中に基板にも電圧をかけるバイアススパッタ法もある。
絶縁層は積層構造でもよく、例えば、基板側から窒化シリコン層、窒化酸化シリコン層、窒化アルミニウム層、または窒化酸化アルミニウム層などの窒化物絶縁層と、上記酸化物絶縁層との積層構造としてもよい。
例えば、酸化シリコン層と基板との間に水素および水分が除去された高純度窒素を含むスパッタガスを導入しシリコンターゲットを用いて窒化シリコン層を成膜する。この場合においても、酸化シリコン層と同様に、処理室内の残留水分を除去しつつ窒化シリコン層を成膜することが好ましい。
窒化シリコン層を形成する場合も、成膜時に基板を加熱してもよい。
絶縁層として窒化シリコン層と酸化シリコン層とを積層する場合、窒化シリコン層と酸化シリコン層を同じ処理室において、共通のシリコンターゲットを用いて成膜することができる。先に窒素を含むスパッタガスを導入して、処理室内に装着されたシリコンターゲットを用いて窒化シリコン層を形成し、次にスパッタガスを、酸素を含むガスに切り替えて同じシリコンターゲットを用いて酸化シリコン層を成膜する。窒化シリコン層と酸化シリコン層とを大気に曝露せずに連続して形成することができるため、窒化シリコン層の表面に水素や水分などの不純物が吸着することを防止することができる。
次いで、絶縁層上（第４の実施形態ではゲート絶縁膜３２上）に、好ましくは膜厚１５ｎｍ以上１５０ｎｍ以下の酸化物半導体薄膜をスパッタ法で形成する。
なお、酸化物半導体薄膜をスパッタ法により成膜する前に、アルゴンガスを導入してプラズマを発生させる逆スパッタを行い、絶縁層の表面に付着しているゴミを除去することが好ましい。逆スパッタとは、アルゴン雰囲気下で基板側にＲＦ電源を用いて電圧を印加し、イオン化したアルゴンを基板に衝突させて表面を改質する方法である。なお、アルゴンに代えて窒素、ヘリウム、または酸素などを用いてもよい。
酸化物半導体薄膜は酸化物焼結体をスパッタリングターゲットに用いてスパッタ法により成膜する。酸化物焼結体としては、成膜する酸化物半導体薄膜と同じ組成の焼結体を用いることができる。
例えば、二元型酸化物焼結体、三元型酸化物焼結体、四元型酸化物焼結体、および五元型酸化物焼結体などの酸化物焼結体を用いることができる。
二元型酸化物焼結体としては、Ｉｎ－Ａｌ－Ｏや、Ｉｎ－Ｙ－Ｏ、Ｉｎ－Ｌｎ－Ｏ（ここで、Ｌｎは、Ｌａ，Ｎｄ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍ，Ｙｂ，およびＬｕから選ばれる１種以上の金属元素を示す）などの酸化物焼結体を用いることができる。
三元型酸化物焼結体としては、Ｉｎ－Ｇａ－Ａｌ－Ｏや、Ｉｎ－Ｇａ－Ｙ－Ｏ、Ｉｎ－Ｇａ－Ｌｎ－Ｏ（ここで、Ｌｎは、Ｌａ，Ｎｄ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍ，Ｙｂ，およびＬｕから選ばれる１種以上の金属元素を示す）、Ｉｎ－Ｓｎ－Ａｌ－Ｏや、Ｉｎ－Ｓｎ－Ｙ－Ｏ、Ｉｎ－Ｓｎ－Ｌｎ－Ｏ（ここで、Ｌｎは、Ｌａ，Ｎｄ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍ，Ｙｂ，およびＬｕから選ばれる１種以上の金属元素を示す）、Ｉｎ－Ａｌ－Ｙ－Ｏ、Ｉｎ－Ａｌ－Ｌｕ－ＯやＩｎ－Ｙ－Ｌｎ－Ｏ（ここで、Ｌｎは、Ｌａ，Ｎｄ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍ，Ｙｂ，およびＬｕから選ばれる１種以上の金属元素を示す）などの酸化物焼結体を用いることができる。
四元型酸化物焼結体としては、Ｉｎ－Ｇａ－Ｓｎ－Ａｌ－Ｏや、Ｉｎ－Ｇａ－Ｓｎ－Ｙ－Ｏ、Ｉｎ－Ｇａ－Ｓｎ－Ｌｎ－Ｏ（ここで、Ｌｎは、Ｌａ，Ｎｄ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍ，Ｙｂ，およびＬｕから選ばれる１種以上の金属元素を示す）、Ｉｎ－Ｇａ－Ａｌ－Ｙ-Ｏ、Ｉｎ－Ｇａ－Ａｌ－Ｌｎ-Ｏ（ここで、Ｌｎは、Ｌａ，Ｎｄ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍ，Ｙｂ，およびＬｕから選ばれる１種以上の金属元素を示す）、Ｉｎ－Ｇａ－Ｙ－Ｌｎ-Ｏ（ここで、Ｌｎは、Ｌａ，Ｎ
ｄ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍ，Ｙｂ，およびＬｕから選ばれる１種以上の金属元素を示す）などの酸化物焼結体を用いることができる。
五元型酸化物焼結体であれば、Ｉｎ－Ｇａ－Ｓｎ－Ａｌ－Ｙ－Ｏや、Ｉｎ－Ｇａ－Ｓｎ－Ａｌ－Ｌｎ－Ｏ（ここで、Ｌｎは、Ｌａ，Ｎｄ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍ，Ｙｂ，およびＬｕから選ばれる１種以上の金属元素を示す）、Ｉｎ－Ｇａ－Ｓｎ－Ｙ－Ｌｎ－Ｏ（ここで、Ｌｎは、Ｌａ，Ｎｄ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍ，Ｙｂ，およびＬｕから選ばれる１種以上の金属元素を示す）などの酸化物焼結体を用いることができる。
酸化物半導体薄膜を成膜する際に用いるスパッタガスは水素、水、水酸基または水素化物などの不純物がｐｐｍ程度の濃度またはｐｐｂ程度の濃度まで除去された高純度ガスを用いることもできるし、水素、または水などを添加して、キャリヤー濃度を極限まで低下することも好ましい。
成膜条件の一例としては、基板温度を室温（２５℃）、基板およびターゲット間の距離を１１０ｍｍ、直径４インチのスパッタリングターゲットを用いて、圧力０．４Ｐａ、直流（ＤＣ）電源０．５ｋＷ、酸素およびアルゴン（全ガス流量を４０ｓｃｃｍとして、酸素流量１ｓｃｃｍ以上、１５ｓｃｃｍ以下に適宜制御して）雰囲気下の条件が適用される。なお、パルス直流（ＤＣ）電源を用いて、パルスの周波数として、１ｋＨｚ以上、３００ｋＨｚ以下、好ましくは、１０ｋＨｚ以上、１８０ｋＨｚ以下、１５ｋＨｚ以上、１５０ｋＨｚ以下において、Ｄｕｔｙ：８０％以下（好ましくは、６０％以下、さらに好ましくは４０％以下）として成膜すると、異常放電の発生が抑制でき、成膜時に発生するノジュール（表面黒色異物）や粉状物質（パーティクル、ゴミともいう）が軽減でき、膜厚分布も均一となるために好ましい。また、パルスＤＣスパッタ法で成膜する場合、ＤＣスパッタ法で成膜する場合のスパッタリングターゲットのバルク抵抗を小さく（好ましくは５ｍΩｃｍ以下）する必要がなく、１０ｍΩｃｍ以上、１００ｍΩｃｍ以下のバルク抵抗を有するスパッタリングターゲットも好適に使用できるメリットもある。酸化物半導体薄膜は好ましくは１５ｎｍ以上１５０ｎｍ以下とする。なお、適用する酸化物半導体材料により適切な厚みは異なり、材料に応じて適宜厚みを選択すればよい。
酸化物半導体の膜密度は、６．５g／ｃｍ3以上とするとよい。膜密度は、好ましくは、６．６ｇ／ｃｍ3以上とするとよく、さらに好ましくは６．８ｇ／ｃｍ3以上である。このようにすると、各元素の欠損が少ない膜を形成でき、デバイスのチャネル層として用いたときに信頼性に優れ安定な特性を得ることができる。なお、酸化物半導体層は請求項の範囲内であればよく、膜密度は好ましい範囲に限定されるものではない。
また、膜の相対密度比（理論密度対する膜密度の比率）は、好ましくは、８０％以上とするとよく、より好ましくは、９０％以上とよく、さらに好ましくは９５％以上である。このようにすると、緻密性が高い膜となりデバイスのチャネル層として用いたときに酸素や水素の拡散が少なく、熱、薬液、プラズマ等の影響に対して変化が起こりにくく安定な特性を得ることができる。なお、酸化物半導体層は請求項の範囲内であればよく、膜の相対密度は好ましい範囲に限定されるものではない。
次いで、酸化物半導体薄膜を第１のフォトリソグラフィ工程およびエッチング工程により島状の酸化物半導体薄膜２、２１に加工する（図１９参照）。
島状の酸化物半導体薄膜を形成するためのレジストマスクはインクジェット法で形成してもよい。インクジェット法ではフォトマスクを使用しないため、製造コストを低減できる。また、ここでの酸化物半導体薄膜のエッチングは、ドライエッチングでもウェットエッチングでもよく、両方を用いてもよい。
第４の実施形態では、メタルマスクを用いたマスクパターンにより島状の酸化物半導体薄膜を形成する。
ドライエッチングに用いるエッチングガスとしては、塩素を含むガス（塩素系ガス、例えば塩素（Ｃｌ2）、塩化硼素（ＢＣｌ3）、塩化珪素（ＳｉＣｌ4）、四塩化炭素（ＣＣｌ4）など）が好ましい。
また、フッ素を含むガス（フッ素系ガス、例えば四弗化炭素（ＣＦ4）、六弗化硫黄（ＳＦ6）、三弗化窒素（ＮＦ3）、トリフルオロメタン（ＣＨＦ3）など）、臭化水素（ＨＢｒ）、酸素（Ｏ2）、これらのガスにヘリウム（Ｈｅ）やアルゴン（Ａｒ）などの希ガスを添加したガス、などを用いることができる。
ドライエッチング法としては、平行平板型ＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）法や、ＩＣＰ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｐｌａｓｍａ：誘導結合型プラズマ）エッチング法を用いることができる。所望の加工形状にエッチングできるように、エッチング条件（コイル型の電極に印加される電力量、基板側の電極に印加される電力量、基板側の電極温度等）を適宜調節する。
ウェットエッチングに用いるエッチング液としては、蓚酸水溶液や、燐酸と酢酸と硝酸とを混ぜた溶液、アンモニア過水（３１質量％過酸化水素水：２８質量％アンモニア水：水＝５：２：２）などを用いることができる。また、ＩＴＯ－０７Ｎ（関東化学社製）を用いてもよい。
また、ウェットエッチング後のエッチング液はエッチングされた材料とともに洗浄によって除去される。その除去された材料を含むエッチング液の廃液を精製し、含まれる材料を再利用してもよい。当該エッチング後の廃液から酸化物半導体薄膜に含まれるインジウム等の材料を回収して再利用することにより、資源を有効活用しコストを低減できる。
所望の形状にエッチングできるように、材料に合わせてエッチング条件（エッチング液、エッチング時間、温度等）を適宜調節する。
第４の実施形態では、酸化物半導体薄膜２、２１に対して大気下、窒素、またはヘリウム、ネオン、アルゴン等の希ガス雰囲気下で第１の加熱処理を行う。
第１の加熱処理の温度（アニール温度）は低い方が良いが、一般的には、成膜直後のままではＴＦＴ特性を発現しないことが多いため、５０℃以上、好ましくは１００℃以上、より好ましくは、１３０℃以上、１５０℃以上が良い。その場合、非晶質のまま使用しても良いし、非晶質中にＩｎ2Ｏ3構造で表されるビックスバイト型の微結晶を含んでいても良いし、全体が微結晶状態でも良い。さらに、制御された温度域で結晶化させることにより、結晶表面の結晶方位が一方方向にのみ成長したファセット型の結晶を含んでいても良い。
光電変換素子や増幅トランジスタの特性に影響を与えない温度が良い。好ましくは、５００℃以下、より好ましくは４５０℃以下、さらに好ましくは４００℃以下である。制御された温度域での結晶化法としては、結晶核が生成すると考えられる１５０℃以上、２５０℃以下の間の昇温速度を１０℃／分以下とすることが良い。また、１５０℃以上、２５０℃以下の間の一定温度で、一定時間保持し、結晶核を生成させてから、昇温し、結晶を成長させることもできる。よって、１５０℃以上、２５０℃以下の間の加熱時間を１０分以上の時間を掛けて昇温するか、および／または、１５０℃以上、２５０℃以下の間の温度で１０分以上保持すれば良い。
第４の実施形態では、加熱処理装置の一つである電気炉に基板を導入し、酸化物半導体薄膜に対して大気下３５０℃において３０分の加熱処理を行う。加熱処理温度からの降温時には、雰囲気を酸素に切り替えても良い。この第１の加熱処理によって酸化物半導体薄膜２、２１の緻密化や、必要に応じて結晶化を行うことができる。
加熱処理装置は電気炉に限られず、抵抗発熱体などの発熱体からの熱伝導または熱輻射によって、被処理物を加熱する装置を備えていてもよい。例えば、ＧＲＴＡ（Ｇａｓ Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌｉｎｇ）装置、ＬＲＴＡ（Ｌａｍｐ Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌｉｎｇ）装置等のＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌｉｎｇ）装置を用いることができる。ＬＲＴＡ装置は、ハロゲンランプ、メタルハライドランプ、キセノンアークランプ、カーボンアークランプ、高圧ナトリウムランプ、高圧水銀ランプなどのランプから発する光（電磁波）の輻射により、被処理物を加熱する装置である。ＧＲＴＡ装置は、高温のガスを用いて加熱処理を行う装置である。気体には、アルゴンなどの希ガス、または窒素のような、加熱処理によって被処理物と反応しない不活性気体が用いられる。
例えば、第１の加熱処理として、ＧＲＴＡ装置を用いて、１５０℃以上５００℃以下の高温に加熱した不活性ガス中に基板を入れ、数分間加熱した後に基板を不活性ガス中から取り出してもよい。ＧＲＴＡ装置を用いると短時間での高温加熱処理が可能となる。
また、第１の加熱処理の条件、または酸化物半導体薄膜の材料によっては、酸化物半導体薄膜が結晶化し、微結晶層または多結晶層となる場合もある。例えば、結晶化率が９０％以上、または８０％以上の微結晶の酸化物半導体薄膜となる場合もある。また、第１の加熱処理の条件、または酸化物半導体薄膜の材料によっては、結晶成分を含まない非晶質の酸化物半導体薄膜となる場合もある。また、非晶質の酸化物半導体薄膜の中に微結晶部（粒径１００ｎｍ以上、２μｍ以下（代表的には５００ｎｍ以上、１μｍ以下））が混在する酸化物半導体薄膜となる場合もある。ここでいう粒径とは、薄膜の表面と平行に、およびまたは、薄膜の断面を透過型電子顕微鏡（TEM）観察した時の結晶粒子の大きさを意味する。
また、酸化物半導体薄膜２、２１の第１の加熱処理は、島状の酸化物半導体薄膜に加工する前の酸化物半導体薄膜に行うこともできる。
酸化物半導体薄膜２、２１に対する緻密化や結晶化の効果を奏する加熱処理は、酸化物半導体薄膜を成膜後、もしくは、酸化物半導体薄膜上にソース電極およびドレイン電極を積層させた後、ソース電極およびドレイン電極上にゲート絶縁層や、保護膜を形成した後、のいずれで行っても良い。
次に、導電層を形成後、フォトリソグラフィ工程にて導電層上にレジストマスクを形成し、選択的にエッチングを行って、転送トランジスタ１のソース電極３およびドレイン電極４、リセットトランジスタのソース電極２２およびドレイン電極２３を形成した後、レジストマスクを除去する。
なお、トップゲート型薄膜トランジスタの場合には、形成されたソース電極、ドレイン電極の端部がテーパであると、上に積層するゲート絶縁層の被覆性が向上するため好ましい。
第４の実施形態では、ソース電極３、ドレイン電極４を、メタルマスクを用いてスパッタ法により膜厚５０ｎｍのパターン形成したチタン膜を形成する。
なお、導電層のエッチングの際に、酸化物半導体薄膜２、２１の一部が除去されて、その下の絶縁層が露出しないようにそれぞれの材料およびエッチング条件を適宜調節する。
第４の実施形態では、エッチャントとして蓚酸水溶液を用いることができる。
次に、保護膜を形成する場合には、例えば、マイクロ波（２．４５ＧＨｚ）を用いた高密度プラズマＣＶＤは、緻密で絶縁耐圧の高い高品質な保護膜や絶縁層を形成できるので好ましい。高純度化された酸化物半導体薄膜と高品質ゲート絶縁層（保護膜）とが密接することにより、界面準位を低減して界面特性を良好なものとすることができるからである。ゲート絶縁層として良質な絶縁層を形成できるものであれば、スパッタ法やプラズマＣＶＤ法など他の成膜方法を適用することができる。また、成膜後の熱処理によってゲート絶縁層の膜質、酸化物半導体薄膜との界面特性が改質される絶縁層であっても良い。いずれにしても、ゲート絶縁層としての膜質が良好であることは勿論のこと、酸化物半導体薄膜との界面準位密度を低減し、良好な界面を形成できるものであれば良い。
また、薄膜トランジスタおよびバルクトランジスタ上に保護絶縁層や、平坦化のための平坦化絶縁層を設けてもよい。例えば、保護絶縁層として酸化シリコン層、窒化シリコン層、酸化窒化シリコン層、窒化酸化シリコン層、または酸化アルミニウム層を単層、または積層して形成することができる。
また、平坦化絶縁層としては、ポリイミド、アクリル、ベンゾシクロブテン、ポリアミド、エポキシ等の、耐熱性を有する有機材料を用いることができる。また上記有機材料の他に、低誘電率材料（ｌｏｗ－ｋ材料）、シロキサン系樹脂、ＰＳＧ（リンガラス）、ＢＰＳＧ（リンボロンガラス）等を用いることができる。なお、これらの材料で形成される絶縁膜を複数積層させることで、平坦化絶縁層を形成してもよい。
なお、シロキサン系樹脂とは、シロキサン系材料を出発材料として形成されたＳｉ－Ｏ－Ｓｉ結合を含む樹脂に相当する。シロキサン系樹脂は置換基としては有機基（例えばアルキル基やアリール基）を有していても良い。また、有機基はフルオロ基を有していても良い。
平坦化絶縁層の形成法は、特に限定されず、その材料に応じて、スパッタ法、ＳＯＧ法、スピンコート法、ディップ法、スプレー塗布法、液滴吐出法（インクジェット法、スクリーン印刷法、オフセット印刷法等）などの方法や、ドクターナイフ、ロールコーター、カーテンコーター、ナイフコーター等の器具を用いることができる。
このように、第４の実施形態では、酸化物半導体薄膜２、２１が、Ｉｎ元素、Ｓｎ元素、およびＧａ元素から選ばれた１種以上の導電性酸化物と、Ａｌ元素、Ｙ元素、ランタノイド元素Ｌｎから選ばれた１種以上の酸化物を含む。
そのため、亜鉛を含有しなくてもリーク電流が少ない酸化物半導体をイメージセンサーに用いることができる。
また、第４の実施形態のイメージセンサーは、特定の元素を含む酸化物半導体薄膜２、２１を用いた薄膜トランジスタ（転送トランジスタ１およびリセットトランジスタ２０）と、増幅トランジスタ３０としてバルクトランジスタとを組み合わせて構成することにより、リーク電流の低減効果がより発現される。これにより、信号電荷蓄積部１５における電位保持機能に優れ、ダイナミックレンジの広いイメージセンサーが実現される。
＜第４の実施形態の変形例＞
変形例に係るイメージセンサーについて説明する。なお、前述した実施形態と同様の構成については、同一の符号を付し、その説明を省略する。
変形例に係るイメージセンサーは、フォトダイオードとして有機光電変換素子を用いたこと以外は図１９に示すイメージセンサーの構成と同様である。
図２１は、変形例に係るイメージセンサーの単位セルの縦断面図である。
図２１に示すように、フォトダイオード１１０は、単結晶シリコン基板２００の上に、コンタクト金属層１１３と、ｎ型有機半導体領域１１２と、ｐ型有機半導体領域１１１とを順に積層した有機光電変換素子である。このフォトダイオード１１０の出力部（ｐ型領域）に転送トランジスタ１のソース電極３が接続される。
コンタクト金属層１１３は、増幅トランジスタ３０のゲート絶縁膜３２に設けられている。コンタクト金属層１１３を通して、単結晶シリコン基板２００およびｐ型有機半導体領域１１１は電気的に接続される。
変形例に係るイメージセンサーでは、フォトダイオード１１０により発生した電荷が転送トランジスタ１を介して信号電荷蓄積部１５に蓄えられる。信号電荷蓄積部１５は、増幅トランジスタ３０のゲート電極３４と電気的に接続されており、フォトダイオード１１０の信号を効率的に増幅できるように構成されている。
このように、フォトダイオードは有機ダイオードでもよく、無機ダイオードを用いた場合と同等の効果が発現される。
＜他の態様＞
第４の実施形態における転送トランジスタ１、リセットトランジスタ２０、および増幅トランジスタ３０は、トップゲート型であるが、逆スタガ構造などのボトムゲート型でも良い。
第４の実施形態では、フォトダイオード１０（光電変換素子）に光を照射する必要があるため、転送トランジスタ１のソース電極３をフォトダイオード１０に接続させる例を説明したが、例えばソース電極を透光性導電材料で形成し、光電変換素子との接続の状態を変えた形態でも良い。
第４の実施形態では、増幅トランジスタ３０としてバルクトランジスタを用いた例を説明したが、増幅トランジスタのチャネル形成領域は特に限定されず、第４の実施形態の酸化物半導体薄膜２、２１を用いてもよく、また、単結晶シリコン半導体以外の公知の半導体層を用いても良い。ただし、増幅トランジスタは、より増幅率の高いシリコン半導体を用いたバルクトランジスタであることが好ましい。
また、例えば、増幅トランジスタと電気的に接続される選択トランジスタを設けても良い。選択トランジスタのチャネル形成領域には、第４の実施形態の酸化物半導体薄膜２、２１を用いてもよいし、シリコン半導体や、その他の公知の半導体層を用いても良い。
また、基板はＳＯＩ基板であっても良い。「ＳＯＩ基板」には、シリコンウエハなどの半導体基板に限らず、ガラス基板や石英基板、サファイヤ基板、金属基板などの非半導体基板も含まれる。つまり、絶縁体基板上に半導体材料からなる層を有するものも、広く「ＳＯＩ基板」に含まれる。
また、転送トランジスタ１、リセットトランジスタ２０、および増幅トランジスタ３０の構造は第４の実施形態に限定されず、例えば、ゲート電極端にサイドウォールを設けたＬＤＤ（Ｌｉｇｈｔｌｙ Ｄｏｐｅｄ Ｄｒａｉｎ）構造やソース領域およびドレイン領域の一部に低抵抗のシリサイド等を形成した構造であっても良い。
また、増幅トランジスタの上部に絶縁層を設け、その上に薄膜トランジスタを設けても良い。例えば、転送トランジスタ、リセットトランジスタ、増幅トランジスタ、および必要に応じて選択トランジスタの少なくとも１以上を増幅トランジスタの上部に設けても良い。これにより、一画素につき必要なトランジスタの面積を縮小することができる。その結果、集積度の向上、フォトダイオードの受光面積の増加、およびノイズの低減といった効果が得られる。
本発明は以上の説明に限定されず、本発明の趣旨およびその範囲から逸脱することなくその形態および詳細を様々に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。従って、本発明は第４の実施形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。
＜イメージセンサーの用途＞
第４の実施形態に係るイメージセンサーは、さまざまな電子機器（遊技機も含む）に適用することができる。例えば、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラ、携帯電話、携帯型ゲーム機、携帯情報端末など、画像情報を取得する手段を有する電子機器に用いることができる。
また、上記実施形態に係るイメージセンサーに用いた酸化物半導体薄膜は、量子トンネル電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）に用いることもできる。構造および製法は第１の実施形態と同様であるため、説明を省略する。
以上が第４の実施形態の説明である。
以下、実施例に基づき本発明を具体的に説明するが、本発明は実施例には限定されない。
（実施例１）
［酸化物焼結体の製造および特性評価］
＜酸化物焼結体の製造＞
表１または表２に示す割合（原子比）となるように酸化イットリウム粉末、酸化ガリウム粉末、酸化インジウム粉末、および酸化アルミニウム粉末、酸化スズ粉末、酸化セリウム粉末を秤量し、ポリエチレン製のポットに入れて、乾式ボールミルにより７２時間混合粉砕し、混合粉末を作製した。
この混合粉末を金型に入れ、４９ＭＰａ（５００ｋｇ／ｃｍ2をＳＩ単位に換算）の圧力でプレス成型体とした。この成型体を１９６ＭＰａ（２０００ｋｇ／ｃｍ2をＳＩ単位に換算）の圧力で冷間静水圧加圧成形（ＣＩＰ）により緻密化を行った。次に、この成型体を常圧焼成炉に入れ、大気雰囲気下で、３５０℃で３時間保持した後に、昇温速度１００℃／時間にて昇温し、１４６０℃にて、３６時間保持し、その後、放置して冷却し、酸化物焼結体を得た。
＜酸化物焼結体の特性評価＞
得られた酸化物焼結体について、下記物性を評価した。結果を表１に示す。
（１）ＸＲＤによる結晶相
得られた焼結体について、Ｘ線回折測定装置Ｓｍａｒｔｌａｂにより、以下の条件で、焼結体のＸ線回折（ＸＲＤ）を測定した。さらに、得られたＸＲＤチャートをＪＡＤＥ６により分析し、焼結体中の結晶相を求めた。さらに、ピーク強度比から、組成を質量％で求めた。
・装置：Ｓｍａｒｔｌａｂ（株式会社リガク製）
・Ｘ線：Ｃｕ－Ｋα線（波長１．５４１８×１０-10ｍ）
・２θ－θ反射法、連続スキャン（２．０°／分）
・サンプリング間隔：０．０２°
・スリットＤＳ（発散スリット）、ＳＳ（散乱スリット）、ＲＳ（受光スリット）：１ｍｍ
（２）相対密度（％）
ここで「相対密度」とは、アルキメデス法により測定される酸化物焼結体の実測密度を、酸化物焼結体の理論密度で除した値の百分率であることを意味する。本発明において、理論密度は以下のように算出されるものである。
理論密度＝酸化物焼結体に用いた原料粉末の総重量／酸化物焼結体に用いた原料粉末の総体積
例えば、酸化物焼結体の原料粉末として酸化物Ａ、酸化物Ｂ、酸化物Ｃ、酸化物Ｄを用いた場合において、酸化物Ａ、酸化物Ｂ、酸化物Ｃ、酸化物Ｄの使用量（仕込量）をそれぞれａ（ｇ）、ｂ（ｇ）、ｃ（ｇ）、ｄ（ｇ）とすると、理論密度は、以下のように当てはめることで算出できる。
理論密度＝（ａ＋ｂ＋ｃ＋ｄ）／（（ａ／酸化物Ａの密度）＋（ｂ／酸化物Ｂの密度）＋（ｃ／酸化物Ｃの密度）＋（ｄ／酸化物Ｄの密度）） なお、各酸化物の密度は、密度と比重はほぼ同等であることから、化学便覧 基礎編Ｉ日本化学編 改定２版（丸善株式会社）に記載されている酸化物の比重の値を用いた。
（３）バルク抵抗（ｍΩ・ｃｍ）
得られた焼結体のバルク抵抗（ｍΩ・ｃｍ）を、抵抗率計ロレスタ（三菱化学株式会社製）を使用して、四探針法（ＪＩＳ Ｒ１６３７）に基づき測定した。
測定箇所は酸化物焼結体の中心および酸化物焼結体の四隅と中心との中間点の４点、計５箇所とし、５箇所の平均値をバルク抵抗値とした。
表１に、酸化インジウム、酸化イットリウム、酸化ガリウム、酸化アルミニウム系の焼結体（実施例１－１から１－４、比較例１－１、１－２）の試験結果を示す。実施例１－１、実施例１－２、比較例１－１、１－２のＸＲＤチャートを図２４から図２７に示す。表２に、酸化インジウム、酸化イットリウム、酸化ガリウム、酸化アルミニウム、正四価の金属酸化物系の焼結体（実施例１－５、１－６）の試験結果を示す。
Figure 0007092746000001
Figure 0007092746000002
表１に示すように、実施例１－１から実施例１－４は、第１の実施形態で規定するＩｎ、Ｙ、Ｇａ、Ａｌの原子比を満たしており、且つ、Ｉｎ２Ｏ３結晶相、Ｙ３Ｇａ5Ｏ１２結晶相およびＹ３Ｇａ４ＡｌＯ１２相結晶を含んでおり、バルク抵抗が３０ｍΩｃｍ以下であった。これに対して比較例１はＡｌの原子比が上限外れ、比較例２は下限外れであり、バルク抵抗が３０ｍΩｃｍを超えていた。
表２に示すように、実施例１－５、実施例１－６は、第１の実施形態で規定するＩｎ、Ｙ、Ｇａ、Ａｌの原子比を満たしており、且つ、Ｉｎ２Ｏ３結晶相およびＹ３Ｇａ４ＡｌＯ１２相結晶を含んでおり、バルク抵抗が３０ｍΩｃｍ以下であった。
［薄膜トランジスタの製造、酸化物半導体薄膜の特性評価、および薄膜トランジスタの性能評価］
＜酸化物半導体薄膜の製造＞
まず、図２８に示すように、酸化物薄膜（符号８３）のみをガラス基板（符号８１）に載せた試料を作製し、特性を測定、評価した。具体的な手順は以下の通りである。
まず、実施例１から実施例５、比較例１、および比較例２で製造した酸化物焼結体から作製したスパッタリングターゲットを用いて、表２の「製造条件」に示す条件でスパッタリングによって、ガラス基板上にて５０ｎｍの薄膜（酸化物半導体層）を形成した。スパッタガスとして、高純度アルゴンに高純度酸素１体積％を混合した混合ガスを用い、スパッタリングを行った。
次に、得られた試料を大気中にて３５０℃、３０分間加熱処理し、処理後の薄膜の特性を評価した。具体的な評価項目および評価方法は以下の通りである。
・ホール効果測定
ホール効果測定用サンプルをホール効果・比抵抗測定装置（ＲｅｓｉＴｅｓｔ８３００型、東陽テクニカ社製）にセットし、室温においてホール効果を評価し、キャリヤー密度および移動度を求めた。
・酸化物半導体薄膜の結晶特性
スパッタ後（膜堆積直後）の加熱していない膜、および加熱直後の膜の結晶質をＸ線回折（ＸＲＤ）測定によって評価した。膜が非晶質であるか否かは、ＸＲＤで、２θで３０°以上、４０°以下にピークが現れるか否かで判断した。結果を表２に示す。
＜結晶構造の規定＞
ＸＲＤによって結晶と判断した膜に関して、以下の条件で得られたＸＲＤチャートをＪＡＤＥ６により分析し、焼結体中の結晶相を同定した。
・装置：Ｓｍａｒｔｌａｂ（株式会社リガク製）
・Ｘ線：Ｃｕ－Ｋα線（波長１．５４１８×１０-10ｍ）
・２θ－θ反射法、連続スキャン（２．０°／分）
・サンプリング間隔：０．０２°
・スリットＤＳ（発散スリット）、ＳＳ（散乱スリット）、ＲＳ（受光スリット）：１ｍｍ
・Ｉｎ2Ｏ3結晶の格子定数（１０-10ｍ）
ＸＲＤにより得られた結晶ピークを用いて、ＪＣＰＤＳカードＩｎ2Ｏ3（ＰＤＦ＃０６－０４１６）を出発点としたＪＡＤＥ６による格子定数精密化処理により算出した。
・酸化物半導体薄膜のバンドギャップ
石英基板上に成膜し、酸化物半導体薄膜と同様に熱処理した薄膜サンプルの透過スペクトルを測定し、横軸の波長をエネルギー（ｅＶ）に、縦軸の透過率を
（αｈν）2
（ここで、
α：吸収係数
ｈ：プランク定数
ｖ：振動数
である。）
に変換したあと、吸収が立ち上がる部分に直線をフィッティングし、その直線がベースラインと交わるところのｅＶ値を算出し、バンドギャップとした。結果を表２に示す。
結果を表２の「薄膜」の「成膜＋加熱処理（ＳｉＯ2形成前）」に示す。
次に、加熱処理後の酸化物半導体薄膜の上に、基板温度３００℃で化学蒸着法（ＣＶＤ）により、ＳｉＯ2膜（保護絶縁膜；層間絶縁膜、図２９の符号８５）を形成して図２９に示す試料を作製した。形成後の薄膜のキャリヤー密度と移動度を、「（１）ホール効果測定」と同様の条件で評価した。結果を表２の「薄膜」の「ＳｉＯ2形成直後」に示す。
次に、ＳｉＯ2膜を成膜した試料を、後アニールとして３５０℃、１時間加熱処理を行い、加熱処理後の薄膜のキャリヤー密度と移動度を「ＳｉＯ2形成直後」と同様の条件で評価した。結果を表２の「薄膜」の「ＳｉＯ2形成＋加熱処理」に示す。
なお、得られた酸化物薄膜は、用いたターゲットと同じ原子比組成を有していた。
＜薄膜トランジスタの製造＞
次に、酸化物薄膜を備える薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を作製し、特性を測定、評価した。具体的な手順は以下の通りである。
（１）成膜工程
実施例１～５および比較例１、２で製造した酸化物焼結体から作製したスパッタリングターゲットを用いて、スパッタリングによって、熱酸化膜（ゲート絶縁膜）付きのシリコンウエハー（ゲート電極）上に、メタルマスクを介して５０ｎｍの薄膜（酸化物半導体層）を形成した。スパッタガスとして、高純度アルゴンに高純度酸素１体積％を混合した混合ガスを用い、スパッタリングを行った。
（２）ソース・ドレイン電極の形成
メタルマスクを用いてスパッタ成膜により、酸化物半導体層にチタン金属からなるソース・ドレイン電極を付けた後、得られた積層体を大気中にて３５０℃、３０分間加熱処理した。完成した薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）の特性を評価した。具体的な評価項目および評価条件は以下の通りである。
・飽和移動度（ｃｍ2／Ｖ・ｓｅｃ）
飽和移動度は、ドレイン電圧に５Ｖ印加した場合の伝達特性から求めた。具体的には、伝達特性Ｉｄ－Ｖｇのグラフを作成し、各Ｖｇのトランスコンダクタンス（Ｇｍ）を算出し、線形領域の式により飽和移動度を導いた。Ｇｍは∂（Ｉｄ）／∂（Ｖｇ）によって表され、Ｖｇは－１５～２５Ｖまで印加し、その範囲での最大移動度を飽和移動度と定義した。本明細書において特に断らない限り、飽和移動度はこの方法で評価した。上記Ｉｄはソース・ドレイン電極間の電流、Ｖｇはソース・ドレイン電極間に電圧Ｖｄを印加したときのゲート電圧である。
・閾値電圧（Ｖｔｈ）
閾値電圧（Ｖｔｈ）は、伝達特性のグラフよりＩｄ＝１０-9ＡでのＶｇと定義した。結果を表２に示す。
・Ｏｆｆ電流値およびｏｎ－ｏｆｆ比
ｏｎ－ｏｆｆ比は、Ｖｇ＝－１０ＶのＩｄの値をＯｆｆ電流値とし、Ｖｇ＝２０ＶのＩｄの値をＯｎ電流値として比［Ｏｎ／Ｏｆｆ］を決めた。結果を表２に示す。
結果を表３の「ＴＦＴ」の「成膜＋加熱処理（ＳｉＯ2形成前）」に示す。
（３）保護絶縁膜の形成
上記（２）における加熱処理後の酸化物半導体薄膜の上に、基板温度３００℃で化学蒸着法（ＣＶＤ）により、ＳｉＯ2膜（保護絶縁膜；層間絶縁膜）を形成し、その後、後アニールとして３５０℃、１時間加熱処理を行った。
ＳｉＯ2膜成膜後の加熱処理を行ったＴＦＴの特性を「成膜＋加熱処理（ＳｉＯ2形成前）」と同じ条件で評価した。結果を表３の「ＴＦＴ」の「ＳｉＯ2形成＋加熱処理」に示す。
Figure 0007092746000003
表３に示すように、実施例１－Ａから実施例１－Ｅは、ＣＶＤでＳｉＯ2を製膜し、さらに加熱した後でもＴＦＴの移動度が２０ｃｍ2／Ｖ・ｓｅｃを超えていた。
一方で、比較例１－Ａおよび比較例１－Ｂは、ＣＶＤでＳｉＯ2を製膜し、さらに加熱するとＴＦＴの薄膜が導通してしまい、トランジスタとしての特性が得られなかった。
（実施例２）
＜酸化物焼結体の製造＞
表４から表８に示した割合となるように酸化物粉末を秤量し、ポリエチレン製ポットに入れて、乾式ボールミルにて７２時間混合粉砕し、混合粉末を作製した。
この混合粉末を金型に入れて、７８．４ＭＰａ（８００ｋｇ/ｃｍ2をＳＩ単位に換算）の圧力でプレス成型体とした。この成型体を９８ＭＰａ（１０００ｋｇ/ｃｍ2をＳＩ単位に換算）の圧力でＣＩＰにより緻密化した。次にこの成型体を常圧焼成炉に設置し、酸素流通下で、３５０℃で３時間保持した後に、５０℃/時間にて昇温し、１４５０℃または１４８０℃にて、３６時間焼成し、その後、放置して冷却して酸化物焼結体を得た。
＜不純物濃度（Ｈ、Ｃ、Ｎ、Ｆ、Ｓｉ、Ｃｌ）の測定＞
得られた焼結体中の不純物濃度（Ｈ、Ｃ、Ｎ、Ｆ、Ｓｉ、Ｃｌ）は、セクタ型ダイナミック二次イオン質量分析計ＳＩＭＳ分析（ＩＭＳ ７ｆ－Ａｕｔｏ、ＡＭＥＴＥＫ ＣＡＭＥＣＡ社製）を用いて定量評価を行った。
具体的には、まず一次イオンＣｓ+を用い、１４．５ｋVの加速電圧で測定対象の焼結体表面から２０μｍの深さまでスパッタを行う。その後、ラスター１００μｍ□、測定エリア３０μｍ□深さ１μｍ分を一次イオンでスパッタしながら不純物（Ｈ、Ｃ、Ｎ、Ｆ、Ｓｉ、Ｃｌ）の質量スペクトル強度を積分した。
さらに質量スペクトルから不純物濃度の絶対値を算出するため、それぞれの不純物をイオン注入によってドーズ量を制御して焼結体に注入し不純物濃度が既知の標準試料を作製した。標準試料についてＳＩＭＳ分析によって不純物（Ｈ、Ｃ、Ｎ、Ｆ、Ｓｉ、Ｃｌ）の質量スペクトル強度を得て、不純物濃度の絶対値と質量スペクトル強度の関係式を検量線とした。
最後に、測定対象の焼結体の質量スペクトル強度と検量線を用い、測定対象の不純物濃度を算出し、これを不純物濃度の絶対値（ａｔｏｍ・ｃｍ-3）とした。
＜不純物濃度（Ｂ、Ｎａ）の測定＞
得られた焼結体の不純物濃度（Ｂ、Ｎａ）についても、ＳＩＭＳ分析（ＩＭＳ ７ｆ－Ａｕｔｏ、ＡＭＥＴＥＫ ＣＡＭＥＣＡ社製）を用いて定量評価を行った。一次イオンをＯ２ ＋，一次イオンの加速電圧を５．５ｋV、それぞれの不純物の質量スペクトルの測定をすること以外は、Ｈ、Ｃ、Ｎ、Ｆ、Ｓｉ、Ｃｌの測定と同様の評価により測定対象の不純物濃度の絶対値（ａｔｏｍ・ｃｍ-3）を得た。
＜酸化物焼結体の評価＞
得られた酸化物を、実施例１と同じ条件で、ＸＲＤによる結晶相、相対密度、バルク抵抗を求めた。
さらに、得られた酸化物をターゲットに加工し、以下の条件で成膜耐久評価試験を行った。
（成膜耐久評価試験）
まず、酸化物焼結体を、研削研磨して、４インチφ×厚さ５ｍｍのスパッタリングターゲットに加工し、インジウムろうを用いて銅製のバッキングプレートにボンディングした。
次に、バッキングプレートをＤＣマグネトロンスパッタ装置に取り付け、４００ＷのＤＣスパッタリングを連続５時間実施した。ＤＣスパッタリング後のターゲット表面の状態、具体的にはクラックの有無と黒色異物（ノジュール）の有無を目視で確認した。
以上の結果を表４から表８に示す。実施例２－１～２－１２のＸＲＤチャートを図３０から図４１に示す。実施例２－１～２－３、実施例２－５～実施例２－１２が第２の実施形態に対応する試料である。実施例２－４、実施例２－４－１から実施例２－４－３、及び比較例２－４－４は第３の実施形態に対応する試料である。
Figure 0007092746000004
Figure 0007092746000005
Figure 0007092746000006
Figure 0007092746000007
Figure 0007092746000008
実施例は、第２の実施形態の要件のいずれかを満たしており、スパッタリング後のターゲットに異常が観察されなかった。
比較例は、第２の実施形態の要件のいずれも満たさず、スパッタリング後のターゲットにクラックが発生した。
実施例２－４、実施例２－４－１から実施例２－４－３、及び比較例２－４－４以外はガーネット化合物が生成された。クラックが抑制されたのは、これが原因と考えられる。
実施例２－４、実施例２－４－１から実施例２－４－３、及び比較例２－４－４ではガーネット化合物は生成されず、ビックスバイト結晶相と酸化スズ結晶相のみが生成された。Ｌｎ元素（ここではイッテルビウム元素）を含む化合物も、Ｉｎ元素とＳｎ元素の両方を含む化合物も生成せず、クラックも生じなかった。これは以下の理由と考えられる。
スズ元素は酸化インジウムに固溶することが知られているが、酸化イッテルビウムを添加すると、酸化インジウムにイッテルビウム元素が固溶し、スズ元素が固溶できなくなる。そのため、Ｌｎ元素を含む化合物も、Ｉｎ元素とＳｎ元素の両方を含む化合物も、生成しなかったものと考えられる。
酸化インジウムにイッテルビウム元素が固溶したことは、酸化インジウムの格子定数が純粋な酸化インジウムの格子定数より大きな値であることから推察できる。一方で、酸化スズの存在量も、当初の組成より大きくなっていることから、立方晶相にインジウム元素およびまたはイッテルビウム元素が固溶していることも考えられる。酸化スズの格子定数は、５．１２８１７×１０-10ｍであった。
（実施例３）
＜酸化物焼結体およびターゲットの強度試験＞
まず、第４の実施形態の構成要件を満たす酸化物焼結体を製造してターゲットに加工した。具体的な手順は以下の通りである。
まず、実施例３－１から実施例３－２７として、インジウム元素、スズ元素、元素、サマリウム元素、イットリウム元素、イッテルビウム元素、およびアルミニウム元素を含む組成の試料を用意した。また、比較例３－１、３－２として、サマリウム元素、イットリウム元素、イッテルビウム元素、およびアルミニウムのいずれも含まない試料を用意した。なお、実施例３－１６、３－１７、３－２１～３－２４、比較例３－１は、実施例２における実施例２－１～２－６、および比較例２－１と同じ組成である。
各元素の原料は、以下の組成を有し、純度９９．９９質量％の酸化物粉末を用いた。
インジウム：Ｉｎ2Ｏ3
スズ：ＳｎＯ2
ガリウム：Ｇａ2Ｏ3
サマリウム：Ｓｍ2Ｏ3
イットリウム：Ｙ2Ｏ3
イッテルビウム：Ｙｂ2Ｏ3
アルミニウムＡｌ2Ｏ3
次に、原料粉末を秤量し、ポリエチレン製のポットに入れて、乾式ボールミルにより７２時間混合粉砕し、混合粉末を作製した。
この混合粉末を金型に入れ、４９ＭＰａ（５００ｋｇ／ｃｍ2をＳＩ単位に換算）の圧力でプレス成型体とした。この成型体を１９６ＭＰａ（２０００ｋｇ／ｃｍ2をＳＩ単位に換算）の圧力でＣＩＰにより緻密化を行った。次に、この成型体を常圧焼成炉に設置して、大気雰囲気下で、３５０℃で３時間保持した後に、１００℃／時間にて昇温し、１４８０℃にて、４２時間焼結した。その後、放置冷却して酸化物焼結体を得た。
得られた酸化物焼結体について、以下の条件で酸化物半導体薄膜を製造し、特性を評価した。具体的な手順は以下の通りである。
（１）成膜工程
得られた酸化物焼結体を研削研磨して、４インチφ×５ｍｍｔのスパッタリングターゲットを製造した。作製したスパッタリングターゲットを用いて、パルスＤＣスパッタ法によって、図２８に示すように、ガラス基板８１（日本電気硝子株式会社製ＡＢＣ－Ｇ）上に、膜厚５０ｎｍの酸化物半導体薄膜８３のみを成膜したサンプルを製造した。
成膜条件は表１から表５に示す通りである。
（２）熱処理工程
次に、得られたサンプルを表１から表５に示す条件で熱処理した。
次に、製造した酸化物半導体薄膜について下記評価を行った。
＜ホール効果測定＞
まず、ガラス基板８１および酸化物半導体薄膜８３からなるサンプルから、平面形状が１ｃｍ角の正方形となるように試料を切り出した。次に、切り出した試料の４隅に金（Ａｕ）を、２ｍｍ×２ｍｍ以下の大きさ位になるように、メタルマスクを用いてイオンコーターで成膜した。次にＡｕ金属上にインジウムはんだを乗せて、接触を良くしてホール効果測定用サンプルとした。
ホール効果測定用サンプルをホール効果・比抵抗測定装置（ＲｅｓｉＴｅｓｔ８３００型、東陽テクニカ社製）にセットし、室温においてホール効果を評価し、キャリヤー密度および移動度を求めた。
また、得られたサンプルの酸化物半導体薄膜について、誘導プラズマ発光分析装置（ＩＣＰ－ＡＥＳ、島津製作所社製）で分析した結果、得られた酸化物半導体薄膜の原子組成比が、酸化物半導体薄膜の製造に用いた酸化物焼結体の原子組成比と同じであることを確認した。
＜酸化物半導体薄膜の結晶特性＞
ガラス基板８１および酸化物半導体薄膜８３からなるサンプルについて、スパッタ後（成膜直後）の加熱していない膜、および成膜後にさらに加熱処理した後の膜の結晶性をＸ線回折（ＸＲＤ）測定によって評価した。
膜が非晶質であるか否かは、ＸＲＤで、２θで３０°以上、４０°以下にピークが現れるか否かで判断した。
膜の表面の結晶状態がファセットであるか否かは、ＥＢＳＤ法により確認した。
＜結晶構造の規定＞
ＸＲＤによって結晶と判断した膜に関して、以下の条件で得られたＸＲＤチャートをＪＡＤＥ６により分析し、焼結体中の結晶相の同定、及び各ピークの面指数を同定した。
・装置：Ｓｍａｒｔｌａｂ（株式会社リガク製）
・Ｘ線：Ｃｕ－Ｋα線（波長１．５４１８×１０-10ｍ）
・２θ－θ反射法、連続スキャン（２．０°／分）
・サンプリング間隔：０．０２°・スリットＤＳ（発散スリット）、ＳＳ（散乱スリット）、ＲＳ（受光スリット）：１ｍｍ
＜膜密度の測定＞
表１４に示す実施例３－２８から実施例３－３２、および比較例３－３については、以下の手順で膜密度の測定を行った。
まず、ガラス基板８１基板および酸化物薄膜８３からなるサンプルについて、大気中３５０℃で１時間アニールした後に、ＸＲＲ（Ｘ－ｒａｙ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｅｒ）を用い、以下の条件で反射率の測定を行った。
得られたスペクトルを用いて、膜厚、密度をパラメーターとしてフィッテングを行い膜密度として求めた。測定装置は（株）リガク製の全自動水平型多目的Ｘ線回折装置 ＳｍａｒｔＬａｂ、測定条件はＣｕ－Ｋα１線（波長１．５４０６×１０-10ｍ、グラファイトモノクロメータにて単色化）を用いて、２θ反射率測定、測定範囲２θ＝０°～８°、サンプリング間隔：０．０１°で測定を行った。
＜薄膜トランジスタの製造＞
さらに、酸化物半導体薄膜を用いた薄膜トランジスタを以下の手順で製造した。
以下の薄膜トランジスタは、ゲート電極を形成しなかったこと以外は図２０に示す転送トランジスタ１と同様の構成である。
（１）成膜工程
ゲート絶縁膜３２付きのゲート電極としての単結晶シリコン基板２００上に、メタルマスクを介して酸化物半導体薄膜２を形成した。その他の条件は、前記ガラス基板８１上に酸化物半導体薄膜８３を形成したときの条件（半導体薄膜の（１）成膜条件）と同様にした。
（２）ソース・ドレイン電極の形成
次に、コンタクトホール形状のメタルマスクを用いて、チタン金属をスパッタリングし、ソース電極３およびドレイン電極４として膜厚５０ｎｍのチタン膜を成膜した。得られた積層体を大気中にて加熱処理し、薄膜トランジスタを製造した。加熱処理の条件は、前記ガラス基板８１上に酸化物半導体薄膜８３を形成したときの条件と同様の条件で行った。
＜薄膜トランジスタの評価＞
加熱処理した後の薄膜トランジスタを用いて飽和移動度および閾値電圧を測定した。飽和移動度および閾値電圧の測定は、測定用針をチタン膜に接触させて行った。
＜飽和移動度＞
飽和移動度は、ドレイン電圧を２０Ｖに設定した場合の伝達特性から求めた。具体的に、伝達特性Ｉｄ－Ｖｇのグラフを作成し、各Ｖｇのトランスコンダクタンス（Ｇｍ）を算出し、飽和領域の式により飽和移動度を導いた。なお、Ｇｍは∂（Ｉｄ）／∂（Ｖｇ）によって表され、Ｖｇは－１５Ｖから２５Ｖまで印加し、その範囲での最大移動度を飽和移動度と定義した。本発明において特に断らない限り、飽和移動度はこの方法で評価した。上記Ｉｄはソース・ドレイン電極間の電流、Ｖｇはソース・ドレイン電極間に電圧Ｖｄを印加したときのゲート電圧である。
＜閾値電圧（Ｖｔｈ）＞
閾値電圧（Ｖｔｈ）は、伝達特性のグラフよりＩｄ＝１０-9ＡでのＶｇと定義した。
＜ｏｎ－ｏｆｆ比、Ｏｆｆ電流＞
ｏｎ－ｏｆｆ比は、Ｖｇ＝－１０ＶのＩｄの値をＯｆｆ電流値とし、Ｖｇ＝２０ＶのＩｄの値をＯｎ電流値として比［Ｏｎ／Ｏｆｆ］を決めた。
＜ＰＢＴＳ、ＮＢＴＳ＞
表１４に示す実施例３－２８から実施例３－３２、および比較例３－３については、ＰＢＴＳ、ＮＢＴＳ（信頼性）も求めた。
ＰＢＴＳ、ＮＢＴＳ（信頼性）は、それぞれＶｇ＝２０Ｖ、２０Ｖを薄膜トランジスタに３６００秒印可した時の伝達特性から求めた。具体的に、０秒と３６００秒後の伝達特性における閾値電圧の差をΔVthと定義した。
＜薄膜トランジスタ中の酸化物半導体エリアの結晶構造の同定＞
さらに、透過型電子顕微鏡（日立ハイテクノロジーズ製「ＨＦ－２０００」）を用い、得られたＴＦＴの酸化物半導体エリアの結晶性を評価した。具体的には、酸化物半導体をイオンミリング法により薄片化し、さらにこれを透過型電子顕微鏡により、加速電圧は２００ｋＶで１０ｎｍエリアの電子回折パターンを観測することで、結晶の空間群と回折パターンの面指数を明らかにした。
以上の結果を表９から表１４に示す。
Figure 0007092746000009
Figure 0007092746000010
Figure 0007092746000011
Figure 0007092746000012
Figure 0007092746000013
Figure 0007092746000014
表９から表１４に示すように、第４の実施形態の要件のいずれかを満たす実施例３－１から実施例３－２７では、酸化物半導体薄膜および薄膜トランジスタのいずれも、半導体としての特性が得られていた。
また、実施例３－１、３－１０、３－１６、３－１８、３－１９、３－２１、３－２３、３－２４、３－２８～３２については、加熱処理後の酸化物半導体薄膜の表面の結晶状態がファセット状であることが確認された。ＸＲＤによる薄膜結晶構造解析の結果から、２θで３０°以上、４０°以下に（２２２）面、（４００）面に対応する結晶性ピークを有するビックスバイト構造であることを確認し、さらに式（３－２０）～（３－２３）の関係式を満たす面に対応する結晶性ピークを観測した。
（ｈｋｌ）面：ｈ＋ｋ＋ｌ＝２ｎ１（ｎ１は自然数）・・式（３－２０）
（０ｋｌ）面：ｋ＝２ｎ２、ｌ＝２ｎ３（ｎ２、ｎ３は異なる自然数）・・式（３－２１）
（ｈｈｌ）面：ｈ＝ｎ４、ｌ＝２ｎ５ （ｎ４、ｎ５は異なる自然数）・・式（３－２２）
（ｈ００）面：ｈ＝２ｎ６（ｎ６は自然数）・・式（３－２３）
また、薄膜トランジスタ作成後の酸化物半導体エリアの電子回折パターンを観察し、得られたパターンと面指数から解析を行った結果、空間群Iａ－３（Ｎｏ．２０６）の立方晶系の結晶を有することが確認された。電子回折パターンにおいては、式３－２０～３－２３の関係式を満たす面からの回折点を確認した。
比較例３－１、３－２は、第４の実施形態の要件のいずれかを満たさないものであり、薄膜が導電体になってしまったため、薄膜および薄膜トランジスタのいずれも、半導体としての特性が不十分であった。
以上の結果から、第４の実施形態に係る組成範囲の酸化物焼結体を用いて成膜した酸化物半導体薄膜は、従来は導体化するインジウム、スズ、ガリウムの組成範囲であっても、Ａｌ元素、Ｙ元素、ランタノイド元素Ｌｎから選ばれた１種以上の酸化物を添加することにより、半導体化することが分かった。
また、実施例３－１から実施例３－２７の酸化物半導体薄膜を有する薄膜トランジスタは、比較例１の酸化物薄膜を有する薄膜トランジスタに比べ、リーク電流が低減されていた。
比較例３－３は、第４の実施形態の要件のいずれかを満たさないものであり、かつ膜密度が実施例３－２８～３２と比較して低かった。また、比較例３－３は実施例３－２８～３４と比較して、信頼性（ＰＢＴＳ、ＮＢＴＳ）が悪く不十分な結果となった。以上の結果から、膜密度を上げることで、各元素の欠損が少ない膜を形成でき、デバイスのチャネル層として用いたときに信頼性に優れ安定な特性を得ることができることが分かった。
したがって、実施例３－１から実施例３－３２の薄膜トランジスタを備えることにより、電位保持機能（例えば電位保持時間）に優れ、長期に安定性の高いイメージセンサーの実現が期待される。
本発明の酸化物焼結体は、スパッタリングターゲット材として有用である。
本発明の酸化物半導体薄膜は、薄膜トランジスタ等の酸化物半導体薄膜として有用である。
１ ：転送トランジスタ
２ ：酸化物半導体薄膜
３ ：ソース電極
４ ：ドレイン電極
５ ：ゲート電極
６ ：ゲート絶縁膜
１０ ：フォトダイオード
１１ ：ｐ型領域
１２ ：ｎ型領域
１５ ：信号電荷蓄積部
２０ ：リセットトランジスタ
２１ ：酸化物半導体薄膜
２２ ：ソース電極
２３ ：ドレイン電極
２４ ：ゲート電極
２５ ：配線
３０ ：増幅トランジスタ
３１Ａ ：ｎ型領域
３１Ｂ ：ｎ型領域
３２ ：ゲート絶縁膜
３３Ａ ：ソース電極
３３Ｂ ：ドレイン電極
３４ ：ゲート電極
４０ ：絶縁領域
４１ ：絶縁膜
５０ ：ソース電極
５１ ：原子番号
７０Ｂ ：層間絶縁膜
８１ ：ガラス基板
８３ ：酸化物半導体薄膜
１００ ：単位セル
１１０ ：フォトダイオード
１１１ ：ｐ型有機半導体領域
１１２ ：ｎ型有機半導体領域
１１３ ：コンタクト金属層
２００ ：単結晶シリコン基板
３００ ：基板
３０１ ：画素部
３０２ ：第１の走査線駆動回路
３０３ ：第２の走査線駆動回路
３０４ ：信号線駆動回路
３１０ ：容量配線
３１２ ：ゲート配線
３１３ ：ゲート配線
３１４ ：ドレイン電極
３１６ ：トランジスタ
３１７ ：トランジスタ
３１８ ：第１の液晶素子
３１９ ：第２の液晶素子
３２０ ：画素部
３２１ ：スイッチング用トランジスタ
３２２ ：駆動用トランジスタ
５０１ ：量子トンネル電界効果トランジスタ
５０１Ａ ：量子トンネル電界効果トランジスタ
５０３ ：ｐ型半導体層
５０５ ：酸化シリコン層
５０５Ａ ：絶縁膜
５０５Ｂ ：コンタクトホール
５０７ ：ｎ型半導体層
５０９ ：ゲート絶縁膜
５１１ ：ゲート電極
５１３ ：ソース電極
５１５ ：ドレイン電極
５１９ ：層間絶縁膜
５１９Ａ ：コンタクトホール
５１９Ｂ ：コンタクトホール
８０３ ：バッキングプレート
８１０ ：薄膜トランジスタ
８１０Ａ ：薄膜トランジスタ
８２０ ：シリコンウエハ
８３０ ：ゲート絶縁膜
８４０ ：酸化物半導体薄膜
８５０ ：ソース電極
８６０ ：ドレイン電極
８７０ ：層間絶縁膜
８７０Ａ ：層間絶縁膜
８７０Ｂ ：層間絶縁膜
３１１０ ：リセット電源線
３１２０ ：垂直出力線

Claims (15)

  1. Ｉｎ元素、Ｙ元素、Ｇａ元素、Ａｌ元素、およびＯ元素を主たる構成元素とする酸化物焼結体であって、Ｉｎ２Ｏ３で表されるビックスバイト結晶相と、Ｙ３Ｇａ５Ｏ１２結晶相およびＹ３Ｇａ４ＡｌＯ１２結晶相とを含む酸化物焼結体。
  2. Ｉｎ元素、Ｙ元素、およびＧａ元素を下記式（１－１）から（１－３）に規定する範囲の原子比
    ０．８０≦Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｙ＋Ｇａ）≦０．９６ ・・・（１－１）
    ０．０２≦Ｙ ／（Ｉｎ＋Ｙ＋Ｇａ）≦０．１０ ・・・（１－２）
    ０．０２≦Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｙ＋Ｇａ）≦０．１５ ・・・（１－３）
    で含有し、
    かつ、Ａｌ元素を下記式（１－４）に規定する範囲の原子比
    ０．００５≦Ａｌ／（Ｉｎ＋Ｙ＋Ｇａ＋Ａｌ）≦０．０７ ・・・（１－４）
    で含有する請求項１に記載の酸化物焼結体。
    （式中、Ｉｎ、Ｙ、Ｇａ、Ａｌは、それぞれ酸化物焼結体中のＩｎ元素、Ｙ元素、Ｇａ元素およびＡｌ元素の原子数を示す。）
  3. Ｇａ元素を下記式（１－５）に規定する範囲の原子比で、
    ０．０２≦Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｙ＋Ｇａ）≦０．１０ ・・・（１－５）
    含有する請求項１または請求項２に記載の酸化物焼結体。
  4. Ｉｎ元素、Ｙ元素、Ｇａ元素、Ａｌ元素、正４価の金属元素およびＯ元素を主たる構成元素とする酸化物焼結体であって、Ｉｎ２Ｏ３で表されるビックスバイト結晶相と、Ｙ３Ｇａ４ＡｌＯ１２結晶相を含む酸化物焼結体。
  5. Ｉｎ元素、Ｙ元素、およびＧａ元素を下記式（１－１）から（１－３）に規定する範囲の原子比
    ０．８０≦Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｙ＋Ｇａ）≦０．９６ ・・・（１－１）
    ０．０２≦Ｙ ／（Ｉｎ＋Ｙ＋Ｇａ）≦０．１０ ・・・（１－２）
    ０．０２≦Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｙ＋Ｇａ）≦０．１５ ・・・（１－３）
    で含有し、
    Ａｌ元素を下記式（１－４）に規定する範囲の原子比
    ０．００５≦Ａｌ／（Ｉｎ＋Ｙ＋Ｇａ＋Ａｌ）≦０．０７ ・・・（１－４）
    で含有し、
    かつ、正４価の金属元素を下記式（１－６）に規定する範囲の原子比
    ０．００００５≦Ｘ／（Ｉｎ＋Ｙ＋Ｇａ＋Ａｌ＋Ｘ）≦０．００５ ・・・（１－６）で含有する、
    請求項４に記載の酸化物焼結体。
    （式中、Ｉｎ、Ｙ、Ｇａ、Ａｌは、それぞれ酸化物焼結体中のＩｎ元素、Ｙ元素、Ｇａ元素およびＡｌ元素の原子数を示す。式中、Ｘは、酸化物焼結体中のＸ元素の原子数を示す。）
  6. 相対密度が９５％以上である請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の酸化物焼結体。
  7. バルク抵抗が３０ｍΩ・ｃｍ以下である請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の酸化物焼結体。
  8. 請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の酸化物焼結体と、バッキングプレートとを含むスパッタリングターゲット。
  9. Ｉｎ元素、Ｙ元素、およびＧａ元素を下記式（１－７）から（１－９）に規定する範囲の原子比
    ０．８０≦Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｙ＋Ｇａ）≦０．９６ ・・・（１－７）
    ０．０２≦Ｙ ／（Ｉｎ＋Ｙ＋Ｇａ）≦０．１０ ・・・（１－８）
    ０．０２≦Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｙ＋Ｇａ）≦０．１５ ・・・（１－９）
    で含有し、かつ、Ａｌ元素を含有し、
    前記式（１－７）中、［Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｙ＋Ｇａ）］が０．９０以上の場合には、［Ａｌ／（Ｉｎ＋Ｙ＋Ｇａ＋Ａｌ）］は、０．０２０以上０．０７以下であり、前記式（１－７）中、［Ｉｎ／（Ｉｎ＋Ｙ＋Ｇａ）］が０．９０未満の場合には、［Ａｌ／（Ｉｎ＋Ｙ＋Ｇａ＋Ａｌ）］は、０．００５以上０．０３０以下である、酸化物半導体薄膜。
    （式中、Ｉｎ、Ｙ、Ｇａ、Ａｌは、それぞれ酸化物半導体薄膜中のＩｎ元素、Ｙ元素、Ｇａ元素およびＡｌ元素の原子数を示す。）
  10. Ｇａ元素を下記式（１－１１）に規定する範囲の原子比で、
    ０．０２≦Ｇａ／（Ｉｎ＋Ｙ＋Ｇａ）≦０．１０ ・・・（１－１１）
    含有する請求項９に記載の酸化物半導体薄膜。
  11. 正四価以上の金属元素Ｘの酸化物を下記式（１－１２）に規定する範囲の原子比で含有する請求項９または請求項１０に記載の酸化物半導体薄膜。
    ０．００００５≦Ｘ／（Ｉｎ＋Ｙ＋Ｇａ＋Ａｌ＋Ｘ）≦０．００５ ・・・（１－１２）
    （式中、Ｘは、酸化物半導体薄膜中のＸ元素の原子数を示す。）
  12. Ｉｎ２Ｏ３で表されるビックスバイト結晶相を含む請求項９から請求項１１のいずれか一項に記載の酸化物半導体薄膜。
  13. 前記Ｉｎ２Ｏ３で表されるビックスバイト結晶相の格子定数が１０．０８３×１０－１０ｍ以下である請求項１２に記載の酸化物半導体薄膜。
  14. 請求項９から請求項１３のいずれか一項に記載の酸化物半導体薄膜を含む薄膜トランジスタ。
  15. 請求項１４に記載の薄膜トランジスタを含む電子機器。
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